材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗 光譜分析(共7頁)

1、裝 訂 線專業(yè)： 姓名： 學(xué)號： 日期： 地點： 備注裝 訂 線b 實驗報告材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗光譜分析課程名稱： 指導(dǎo)老師： 成績(chngj)： 實驗(shyn)名稱： 實驗(shyn)類型： 同組學(xué)生姓名： 一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、實驗?nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理六、實驗結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得一、實驗?zāi)康暮鸵笸ㄟ^本實驗了解熒光光譜分析儀、紫外/可見吸收光譜測試儀和紅外吸收光譜測試儀的基本原理、主要用途和實際操作過程。掌握發(fā)光材料熒光光譜、玻璃透光率、薄膜吸收光譜、固體粉末紅外光譜的測試方法。學(xué)習(xí)分析影響測試結(jié)果的主要

2、因素。二、實驗內(nèi)容和原理電磁波可與多種物質(zhì)相互作用。如果這種作用導(dǎo)致能量從電磁波轉(zhuǎn)移至物質(zhì)，就稱為吸收。當(dāng)光波與某一受體作用時，光子和接受體之間就存在碰撞。光子的能量可被傳遞給接受體而被吸收，由此產(chǎn)生吸收光譜。如果接受體是原子，就產(chǎn)生原子吸收光譜。如果接受體是分子，就產(chǎn)生分子吸收光譜。分子具有一系列電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級，這些能級都是量子化的，只有當(dāng)光子能量恰好等于兩個能級的能量差時，分子才能由某一較低能級E1躍遷至另一較高能級E2,從而產(chǎn)生分子的吸收光譜，分子包含有電子、振動和轉(zhuǎn)動三種能級。通常，紫外和可見光的能量接近于某兩個電子能級地能量差，故紫外與可見光吸收光譜起源于價電子在電子能

3、級之間的躍遷，又稱為電子光譜。當(dāng)一束平行單色光照射到非散射的均勻介質(zhì)時，光的一部分將被介質(zhì)所反射，一部分被介質(zhì)吸收，一部分透過介質(zhì)。如果入射光強(qiáng)度為.反射光強(qiáng)度為Ir，吸收光強(qiáng)度為Ia，透過光強(qiáng)度為It，則有I0=Ir+Ia+It。 透射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比稱為透光率 T=It/I0。如果入射光強(qiáng)度保持一定值，則透光度越大，說明光線通過介質(zhì)后光強(qiáng)度減弱的程度越小。當(dāng)平等單色光束通過均質(zhì)單相材料薄層時，由于光吸收，其強(qiáng)度減少量dI與薄層厚度dx及光束強(qiáng)度I成正比：-dI=Idx；為比例系數(shù)，也叫吸收系數(shù)。若光線射入的初始強(qiáng)度為I0,經(jīng)過試樣的厚度及介質(zhì)中光程長度t后，射出光強(qiáng)度為It，則可得透

4、光率：T=ItI0=exp(-t)；如果考慮界面的反射損失，則對垂直入射光的透光率為：ItI0=(1-R2)exp(-t)。當(dāng)一束具有連續(xù)波長的紅外光照射某化合物時，其分子要吸收一部分光能轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥恼駝幽芰炕蜣D(zhuǎn)動能量。此時若將其透過的光用單色器進(jìn)行色散，就可得到一帶暗條的譜帶。以紅外光的波長或波數(shù)為橫坐標(biāo)，以吸收率或者透過率百分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)，把該譜帶記錄下來，就可得到該化合物的紅外吸收光譜圖。不同的化合物均有標(biāo)準(zhǔn)特征譜，將實驗所得的光譜與標(biāo)準(zhǔn)譜對照，就可進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究和化合組成的分析?？捎晌辗宓奈恢煤托螤顏硗浦粶y物的結(jié)構(gòu)，按照特征峰的強(qiáng)度來測定混合物中各組分的含量。當(dāng)分子吸收來自光

5、輻射的能量后，其本身就由處于穩(wěn)定的基態(tài)躍遷至不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)：M+hM*。激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，壽命極短，激發(fā)態(tài)分子會迅速以向周圍散熱或再發(fā)射電磁波（熒光或磷光）的方式回到基態(tài)：M*M+熱；或：M*M+熒光（或磷光）。任何能產(chǎn)生熒光（或磷光）的物質(zhì)都具有兩個特征光譜：激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。激發(fā)光譜：熒光（或磷光）為光致發(fā)光，因此必須選擇合適的激發(fā)光波長，這可通過激發(fā)光譜曲線來確定。選擇熒光（或磷光）的最大發(fā)射波長為測量波長（監(jiān)控波長），改變激發(fā)光的波長，測量熒光強(qiáng)度變化。以激發(fā)光波長為橫坐標(biāo)，熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)作圖，即可獲得激發(fā)光譜。激發(fā)光譜形狀與吸收光譜形狀極為相似，經(jīng)校正后的激發(fā)光譜與吸收光譜不僅形

6、狀相同，而且波長位置一致。這是因為物質(zhì)吸收能量(nngling)的過程就是激發(fā)過程。發(fā)射(fsh)光譜：將激發(fā)波長固定在最大激發(fā)波長處，然后掃描發(fā)射波長，測定不同波長處的熒光（或磷光）強(qiáng)度，即可得到熒光（或磷光）發(fā)射光譜。三、主要(zhyo)儀器設(shè)備1. 熒光光譜儀日立公司的F-4500熒光光譜儀，測量光譜范圍200-730nm，最高靈敏度S/N=100，最快掃描速度30000nm/min。該儀器的整個操作過程完全由計算機(jī)控制，隨機(jī)提供的窗口式操作軟件，使樣品測試、結(jié)果處理、圖形變換、結(jié)果打印等都可以在計算機(jī)中方便地進(jìn)行。2. 紫外/可見吸收光譜測試儀PE公司的Lambda20雙光束紫外/可見

7、光分光光度計，測量光譜范圍190-1100nm；雜散光0.01%T；波長精度0.1nm；最高掃描速度2880nm/min。該儀器的整個操作過程可完全由計算機(jī)控制，隨機(jī)提供的UV-Winlab窗口式操作軟件，使樣品測試、結(jié)果處理、圖形變換和實驗報告編程及實驗結(jié)果都可在計算機(jī)中方便地完成。3. 紅外吸收光譜測試儀Nicolet公司的Avatar360傅里葉變換紅外光譜儀，測量范圍4000-400cm-1；分辨率0.9cm-1；信噪比15000:1。該儀器的整個操作過程完全由計算機(jī)控制，隨機(jī)提供的窗口式操作軟件，使樣品測試、結(jié)果處理、圖形變換、結(jié)果打印都可在計算機(jī)中方便地完成。四、操作方法和實驗步驟

8、（一）發(fā)光材料的熒光光譜測試1.檢查F-4500熒光光譜儀電源開關(guān)置“關(guān)”位置，光譜儀樣品室中無任何樣品。2.打開光譜儀主機(jī)電源開關(guān)，預(yù)熱5分鐘，按下氯燈電源，再過5分鐘，打開“run”開關(guān)。3.雙擊“FLSolutuons”，進(jìn)入熒光光譜儀的控制窗口，進(jìn)入測試狀態(tài)。4.打開樣品室，將待測試樣放入樣品室，關(guān)上樣品室。5.為測定樣品的激發(fā)光譜，在“Method”設(shè)置參數(shù)設(shè)置完成后，按測試控制畫面的“Measure”，儀器開始為測定樣品的激發(fā)光譜。6.為測定樣品的發(fā)射光譜，在熒光光譜儀控制窗口的“Method”中在設(shè)置參數(shù)，設(shè)置完成后，按測試控制畫面的“Measure”，儀器開始自動測試發(fā)射光譜。

9、7.測試完成，保存文件。（二）紫外/可見光吸收光譜測試（測光的透過率）1.檢查電源開關(guān)置“關(guān)”位置，光度計樣品室光路上無任何阻擋物。2.打開光度計電源，光度計首先自動進(jìn)行自檢，一切正常后開始檢測。3.打開電源(dinyun)，啟動計算機(jī)，進(jìn)入“UV Winlab”操作程序。設(shè)置參數(shù)(cnsh)（包括起始波長等）4.在參比式樣架和樣品式樣架上分別(fnbi)放入沒有鍍上光功能薄膜的兩塊空白玻璃基板，蓋上樣品室，單擊“Autozero”光度計進(jìn)行自動校零。 、5.校零結(jié)束后，打開樣品室，在樣品式樣架上放入鍍有光功能薄膜的玻璃樣品，蓋上樣品室。單擊“Start”，開始樣品測試，結(jié)束后保存結(jié)果。作出圖

10、并倒數(shù)出數(shù)據(jù)。6.數(shù)據(jù)處理錄和處理。（三）固體試樣的紅外吸收光譜測試1.樣品制備1） 本實驗進(jìn)行固體式樣的紅外光譜分析采用壓片法制備樣品。樣品：硝基苯胺溴化鉀（對紅外光全透） 形狀：壓制的薄片為半透明狀（注意膜不破，均勻 且透光）2） (1) 檢查傅里葉變化紅外光譜儀電源開關(guān)置“關(guān)”位置，光譜儀樣品室中無任何樣品。 (2) 打開計算機(jī)開關(guān)，計算機(jī)自動進(jìn)入Windows桌面。 (3) 打開光譜儀開關(guān)，光譜儀左后方的電源指示燈與掃描指示燈亮，此時在計算機(jī)的Windows桌面上雙擊“IMNICE.S.P.”圖標(biāo)，計算機(jī)進(jìn)入OMNIC窗口，掃描指示燈開始閃亮。 (4) 打開樣品室，將壓有薄膜樣品的螺母

11、放入光譜儀的樣品室中，關(guān)上樣品室。 (5) 在OMNIC窗口的“Experimental”處選擇Ddfault-default，該實驗程序的基本參數(shù)為掃描次數(shù)32次，分辨率4cm-1，如果要改變實驗參數(shù)，可在“Collect”中進(jìn)入Experiment setup進(jìn)行修改。 (6) 單擊OMNIC窗口第三行的第二個圖標(biāo)（Collect Sample圖標(biāo)），儀器開始對樣品進(jìn)行光測試，測試結(jié)束后，顯示屏上將自動顯示要求進(jìn)行背底測試掃描的窗口 (7) 打開樣品室，取出樣品，然后關(guān)上樣品室，在要求進(jìn)行背底測試掃描的窗口上單擊“OK”，儀器開始進(jìn)行背底測試掃描，同時對前面測試的樣品進(jìn)行自動背底扣除，在顯

12、示屏上顯示已扣除背底的紅外吸收光譜圖。 (8) 在OMNIC窗口的“file”中保存所測試的光譜圖。五、實驗結(jié)果與分析（一）發(fā)光材料的熒光光譜測試結(jié)果(ji gu)分析：圖一分析(fnx)：固定發(fā)射(fsh)光，用不同的光激發(fā)物質(zhì)，由圖一可得，在342.4nm和468.4nm處，最佳激發(fā)波長為468.4nm圖二分析：實驗測試時，激發(fā)光不變，發(fā)射光波長改變，得到的峰值的位置是（538.8,8163），說明538.8nm是最有效的發(fā)射波長，是發(fā)射光主峰。（圖中顯示(xinsh)的y值代表(dibio)的是發(fā)光強(qiáng)度的相對值，不是絕對值）YAG熒光粉，成分(chng fn)是釔鋁石榴石，化學(xué)式為Y3A

13、l5O12，是由Y2O3和Al2O3反應(yīng)生成的一種復(fù)合氧化物，屬立方晶系，具有石榴石結(jié)構(gòu)。熒光粉特征是：它的發(fā)射光的波長主峰在500580nm范圍內(nèi)，即黃光區(qū)域的任意位置；二是它的最佳激發(fā)波長在430480nm范圍內(nèi)的不同位置。發(fā)射譜帶窄，X色坐標(biāo)值高。（二）紫外/可見光吸收光譜測試測試的玻璃是Cr正三價離子玻璃，由圖三顯示在波長419nm處吸光度最大，達(dá)到0.6302 。正三價Cr 離子具有很高的八面體擇位能，因此離子將優(yōu)先選擇八面體配位，在配位場的作用下，正三價Cr 離子的d電子能級發(fā)生分裂，根據(jù)Tanabe和Sugano的計算下，自由正三價Cr 離子的基態(tài)4F分裂為三個能級A2、T2、T

14、1，從基態(tài)A2到T2躍遷為自旋允許躍遷，其特征是吸收強(qiáng)，峰很寬，A2到T1躍遷是自旋禁戒躍遷。Cr正三價離子玻璃由于能級分裂導(dǎo)致在419nm處吸收最強(qiáng)。（三）固體(gt)試樣的紅外吸收光譜測試 分析(fnx)：溴化鉀(KB r) 在中紅外區(qū)段(q dun)沒有吸收峰, 所以常作為紅外光譜測試樣品的載體。在3020cm-1 的吸收峰是苯環(huán)上的=CH伸縮振動引起的。在1605cm-1 、1511cm-1 的吸收峰是苯環(huán)骨架C=C伸縮振動引起的。在817cm-1 的吸收峰說明苯環(huán)上發(fā)生了對位取代。 在3000cm-1 左右和1400cm-1 左右的吸收峰是酸的吸收，在1530cm-1 、1300 c

15、m-1 處是基團(tuán)NO2的吸收峰。所以推測是對硝基苯甲酸，再與對硝基苯甲酸的標(biāo)準(zhǔn)紅外圖譜比較。六、實驗注意事項1嚴(yán)格按實驗指導(dǎo)書中的操作步驟進(jìn)行。2盡量不要在實驗過程中產(chǎn)生大的振動。3紅外光譜儀非常容易受潮濕氣體影響而受損，實驗室對干燥要求特別嚴(yán)格，請勿將易引起空氣潮濕等物品如雨衣帶入實驗室。4用于控制儀器的計算機(jī)，除進(jìn)行實驗測試及實驗結(jié)果處理外，不得用于其他用途，嚴(yán)禁外帶軟盤進(jìn)入控制儀器用計算機(jī)。七、思考題討論1.簡述傅立葉變換紅外光譜儀的測試原理？ 答：由紅外光源S發(fā)出的紅外光經(jīng)準(zhǔn)直為平行紅外光束進(jìn)入干涉系統(tǒng)，經(jīng)干涉儀調(diào)整制后得到 一束干涉光。干涉光通過樣品Sa，獲得含有光譜信息的干涉信號到

16、達(dá)探測器D上，由D將干涉信號變?yōu)殡娦盘?。此處的干涉信號是一時間函數(shù)，即由干涉信號繪出的干涉圖，其橫坐標(biāo)是動鏡移動時間或動鏡移動距離。這種干涉圖經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器送入計算機(jī)，由計算機(jī)進(jìn)行傅立葉變換的快速計算，即可獲得以波數(shù)為橫坐標(biāo)的紅外光譜圖。然后通過D/A轉(zhuǎn)換器送入繪圖儀而繪出人們十分熟悉的標(biāo)準(zhǔn)紅外吸收光譜圖。2.紫外-可見分光光度計定量分析法的依據(jù)是什么？ 答：依據(jù)是朗伯比爾定律：光被透明介質(zhì)吸收的比例與入射光的強(qiáng)度無關(guān)；在光程上每等厚層介質(zhì)吸收相同比例值的光。A = k b C （k與入射光波長(bchng)、溶液性質(zhì)及溫度有關(guān)的常數(shù)） 即當(dāng)一束波長為的單色光通過均勻溶液時，其吸光度與溶液濃度(nngd)和光線通過的液層厚度的 乘積成正比3.紅外光譜(gungp)分析重固體試樣方法有哪些？答：1.壓片法：在研缽中研磨成細(xì)粉末與干燥的溴化鉀粉