儀器分析光學(xué)分析法導(dǎo)論

2023/1/151一.教學(xué)內(nèi)容

1電磁輻射及電磁波譜的概念、特性及相關(guān)物理量

2光學(xué)分析法的分類及特點

3光學(xué)分析法的基本儀器二．重點與難點

1．電磁輻射2．各種能級躍遷的概念及相應(yīng)的光譜三.教學(xué)要求

1．

掌握電磁輻射和電磁波譜的概念及性質(zhì)

2．

清楚理解物質(zhì)與電磁輻射相互作用所產(chǎn)生的各種光譜

3．

光學(xué)分析法的分類及標(biāo)準(zhǔn)

4．

了解光譜法的基本儀器部件

Chapter1光學(xué)分析法導(dǎo)論2023/1/152猜猜看？月亮彩虹森林和氧氣夜光杯顏色

2023/1/153

月亮

光

反射

彩虹森林氧氣

光化學(xué)反應(yīng)

折射夜光杯熒光顏色

吸收

2023/1/154第一節(jié)概論一光譜及光譜分析法光光的粒子性光的波動性光的電磁說光的本性光的波粒二相性光是一種電磁波2023/1/155光的干涉現(xiàn)象光的衍射現(xiàn)象光是一種波19世紀(jì)中葉，光的波動說已經(jīng)得到了公認(rèn)，但是光波的本質(zhì)到底是什么，是像水波？還是像聲波呢？19世紀(jì)60年代，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，并從理論上得出電磁波在真空中的傳播速度應(yīng)為：光是一種電磁波≈光速2023/1/1562023/1/156

麥克斯韋的電磁場理論是科學(xué)認(rèn)識的一個革命性變革，根據(jù)研究，麥克斯韋大膽斷言：光本身就是電磁波。

1886～88年間赫茲做了一系列實驗證實了電磁波的存在，并且測出了電磁波頻率和波長，計算出電磁波的傳播速度，發(fā)現(xiàn)電磁波的速度確實與光速相同，證明了光的電磁說的正確性。2023/1/157波動性每個光子具有一定的波長，可以用波的參數(shù)如波長（）、頻率（

）、振幅（A）等來描述。真空中速度：

c=·

什么是電磁波？電磁波（電磁輻射）是一種以極高速度傳播的光量子流。既具有粒子性，也具有波動性。

2023/1/158粒子性電磁輻射與物質(zhì)之間能量的轉(zhuǎn)移用粒子性來解釋特征：輻射能是由一顆一顆不連續(xù)的粒子流傳播的，這種粒子叫光量子，是量子化的（發(fā)射或被吸收）。光量子的能量

E=h=hc/

h—plank常數(shù)（6.62610-34J·S

）單位：電子伏特eV92023/1/159電磁波譜2023/1/15102023/1/15112023/1/15122023/1/1512輻射能的特性(1)吸收物質(zhì)選擇性吸收特定頻率的輻射能，并從低能級躍遷到高能級；(2)

發(fā)射將吸收的能量以光的形式釋放出；(3)散射丁鐸爾散射和分子散射；(4)折射折射是光在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同;(5)反射(6)干涉

(7)衍射光繞過物體而彎曲地向后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象(8)偏振只在一個固定方向振動的光稱為平面偏振光2023/1/1513紅外線

在電磁波中，能夠作用于人的眼睛并引起視覺的，只是一個很窄的波段，通常叫做可見光。其中波長最短的是紫光，波長約為400nm。波長最長的是紅光，約為770nm，波長更長的光不能引起視覺，叫做紅外線，紅外線的波長范圍很寬，約為770nm～106nm．2023/1/1514利用靈敏的紅外線探測器接收物體發(fā)出的紅外線，用電子儀器對收到的信號進(jìn)行處理，就可以知道被測物體的信息紅外線主要作用是熱作用，可以利用紅外線來加熱物體和進(jìn)行紅外線遙感紅外線技術(shù)的應(yīng)用2023/1/1515可見光2023/1/1516紫外線

紫外線也是不可見光，波長比紫光還短，大約為5nm～400nm．紫外線有熒光作用，有些物質(zhì)受到紫外線照射時可以發(fā)出可見光。紫外線可以促使人體合成維生素D，有助于人體對鈣的吸收，所以兒童經(jīng)常曬太陽能夠預(yù)防缺鈣引起的佝僂病，但是過多的紫外線會使皮膚粗糙，甚至誘發(fā)皮膚癌。紫外線能夠殺滅多種細(xì)菌，可以用紫外線進(jìn)行消毒。注意：紅外線與紫外線人眼都是看不到的2023/1/1517紫外線

畫面上可以清晰的看到錢幣上的防偽標(biāo)記2023/1/1518倫琴射線

波長比紫外線更短的光叫做倫琴射線，也叫X射線是德國物理學(xué)家倫琴在1895年發(fā)現(xiàn)的．他的穿透能力很強(qiáng)，能使包在黑紙里的照像底片感光，產(chǎn)生X射線的裝置，叫做X射線管：1、K是陰極2、A是陽極（也叫對陰極）2023/1/1519定義：是根據(jù)物質(zhì)發(fā)射電磁輻射或電磁輻射與物質(zhì)相互作用而建立起來的一類分析化學(xué)方法。

二、光學(xué)分析法發(fā)展史：1858～59年，德國化學(xué)家本生和物理學(xué)家基爾霍夫奠定了一種新的化學(xué)分析方法——光譜分析法。他們被公認(rèn)為光譜分析法創(chuàng)始人，開創(chuàng)了化學(xué)和分析化學(xué)新紀(jì)元。光譜法的應(yīng)用：光譜分析發(fā)現(xiàn)不少化學(xué)元素；已廣泛用于地質(zhì)、冶金、石油、化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、生物、環(huán)境等多方面，是常用的靈敏、快速、準(zhǔn)確的近代儀器分析方法之一。2023/1/15201、物質(zhì)的激發(fā)1.非輻射激發(fā)熱激發(fā)：熱致發(fā)光電激發(fā)：電致發(fā)光生物激發(fā)：生物發(fā)光化學(xué)激發(fā)：化學(xué)發(fā)光2.輻射激發(fā)光激發(fā)：光致發(fā)光2023/1/15212、光學(xué)分析法分類光學(xué)分析法：光譜法、非光譜法。光譜法：基于物質(zhì)與輻射能作用時，測量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長和強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法。非光譜法：是基于物質(zhì)與輻射相互作用時，測量輻射的某些性質(zhì)，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等變化的分析方法。2023/1/1522光分析法光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原子吸收光譜原子發(fā)射光譜原子熒光光譜X射線熒光光譜折射法圓二色性法X射線衍射法干涉法旋光法紫外光譜法紅外光譜法分子熒光光譜法分子磷光光譜法核磁共振波譜法非光譜分析法2023/1/15232、光譜分析法分類（1）按波長區(qū)域不同：

遠(yuǎn)紅外光譜紅外光譜可見光譜紫外光譜遠(yuǎn)紫外光譜2023/1/1524（2）按光譜的形態(tài)：線狀光譜，帶狀光譜，連續(xù)光譜

聚苯乙烯的紅外光譜(振動-轉(zhuǎn)動光譜)2023/1/1525（3）按產(chǎn)生光譜的物質(zhì)類型：原子光譜，分子光譜2023/1/1526(第二次)2023/1/1527（4）按產(chǎn)生光譜的方式：發(fā)射光譜，吸收光譜，散射光譜（5）按激發(fā)光源：火焰光譜，閃光光譜，激光光譜，等離子體光譜等2023/1/15283、光譜分析法的特點（1）分析速度較快；（2）操作簡便；（3）不需純樣品；（4）可同時測定多種元素或化合物(3)。2023/1/1529（5）選擇性好（6）靈敏度高;（7）樣品損壞少;●局限性

光譜定量分析建立在相對比較的基礎(chǔ)上，必須有一套標(biāo)準(zhǔn)樣品作為基準(zhǔn)，而且要求標(biāo)準(zhǔn)樣品的組成和結(jié)構(gòu)狀態(tài)應(yīng)與被分析的樣品基本一致，這常常比較困難2023/1/1530第二節(jié)光譜分析的基本原理一、發(fā)射光譜法

物質(zhì)通過電致激發(fā)、熱致激發(fā)或光致激發(fā)等激發(fā)過程獲得能量，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子或分子M*，當(dāng)從激發(fā)態(tài)過渡到低能態(tài)或基態(tài)時產(chǎn)生發(fā)射光譜。

M*M+hv

通過測量物質(zhì)的發(fā)射光譜的波長和強(qiáng)度進(jìn)行定性和定量分析的方法叫做發(fā)射光譜分析法。2023/1/15311.

射線光譜法：核通過發(fā)射射線回到基態(tài)2.X射線熒光分析法：內(nèi)層電子能級躍遷，即發(fā)射出特征X射線，稱為X射線熒光。3.原子發(fā)射光譜分析法：

用火焰、電弧、等離子炬等作為激發(fā)源，使氣態(tài)原子或離子的外層電子

受激發(fā)發(fā)射特征光學(xué)光譜，利用這種光譜進(jìn)行分析的方法叫做原子發(fā)射光譜分析法。波長范圍在190~900nm。2023/1/15324.原子熒光分析法：氣態(tài)自由原子吸收特征波長的輻射后，原子的外層電子從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到較高能態(tài)，約經(jīng)10-8s，又躍遷至基態(tài)或低能態(tài)，同時發(fā)射出與原激發(fā)波長相同（共振熒光）或不同的輻射（非共振熒光—直躍線熒光、階躍線熒光、階躍激發(fā)熒光、敏化熒光等），稱為原子熒光。波長在紫外和可見光區(qū)。在與激發(fā)光源成一定角度（通常為90）的方向測量熒光的強(qiáng)度，可以進(jìn)行定量分析。2023/1/15335.分子熒光分析法

某些物質(zhì)被紫外光照射后，物質(zhì)分子吸收輻射而成為激發(fā)態(tài)分子，然后回到基態(tài)的過程中發(fā)射出比入射波長更長的熒光。測量熒光的強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法稱為熒光分析法。波長在光學(xué)光譜區(qū)。

熒光與磷光2023/1/15342023/1/15352023/1/15356.分子磷光分析法

物質(zhì)吸收光能后，基態(tài)分子中的一個電子被激發(fā)躍遷至第一激發(fā)單重態(tài)軌道，由第一激發(fā)單重態(tài)的最低能級，經(jīng)系間交叉躍遷至第一激發(fā)三重態(tài)（系間竄躍），并經(jīng)過振動弛豫至最低振動能級，由此激發(fā)態(tài)躍遷回至基態(tài)時，便發(fā)射磷光。

根據(jù)磷光強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法成為磷光分析法。它主要用于環(huán)境分析、藥物研究等方面的有機(jī)化合物的測定。

2023/1/15362023/1/15372023/1/1537用蘭色激光照射石榴石綠色晶體時,Cr3+吸收蘭光并輻射出能量較低的紅色熒光。晶體的熒光現(xiàn)象含有少量Cr3+的釔鋁石榴石綠色晶體2023/1/15387.化學(xué)發(fā)光分析法

由化學(xué)反應(yīng)

提供足夠的能量，使其中一種反應(yīng)的分子的電子被激發(fā)，形成激發(fā)態(tài)分子。激發(fā)態(tài)分子躍遷回基態(tài)時，發(fā)出一定波長的光。其發(fā)光強(qiáng)度隨時間變化。在合適的條件下，峰值與被分析物濃度成線形關(guān)系，可用于定量分析。

由于化學(xué)發(fā)光反應(yīng)類型不同，發(fā)射光譜范圍為400~1400nm。

2023/1/1539

當(dāng)物質(zhì)所吸收的電磁輻射能與該物質(zhì)的原子核、原子或分子的兩個能級間躍遷所需的能量滿足△E=hv的關(guān)系時，將產(chǎn)生吸收光譜。

M+hvM*

二、吸收光譜法2023/1/15401.紫外-可見分光光度法

利用溶液中的分子或基團(tuán)在紫外和可見光區(qū)產(chǎn)生分子外層電子能級躍遷所形成的吸收光譜。根據(jù)吸收光譜用于定性和定量測定。2.原子吸收光譜法

利用待測元素氣態(tài)原子對共振線的吸收進(jìn)行定量測定的方法。其吸收機(jī)理是原子的外層電子能級躍遷，波長在紫外、可見和近紅外區(qū)。2023/1/15412023/1/1541式中，A

——吸光度；

L——透過溶液厚度；

K

——常數(shù)該式是吸收光譜定量分析的基本關(guān)系式：吸光度A與樣品中C呈線性關(guān)系。通過一組已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品，做出A與C之間的工作曲線。在同樣條件下，測量未知物的吸光度后，利用工作曲線就可求得未知物的濃度Cx吸收光譜法定量分析的理論基礎(chǔ)——朗伯比耳定律：2023/1/15423.紅外光譜法

利用分子在紅外區(qū)的振動-轉(zhuǎn)動吸收光譜來測定物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)的光譜分析法。2023/1/15434.核磁共振波譜法

在強(qiáng)磁場作用下，核自旋磁矩與外磁場相互作用分裂為能量不同的核磁能級，核磁能級之間的躍遷吸收或發(fā)射射頻區(qū)的電磁波。NSNSNSSNSNNS不同頻率2023/1/15442023/1/15451.旋光法溶液的旋光性與分子的非對稱結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，可利用旋光法研究某些天然產(chǎn)物及配合物的立體化學(xué)問題，旋光計測定糖的含量。2.衍射法

X射線衍射：研究晶體結(jié)構(gòu)，不同晶體具有不同衍射圖。電子衍射：電子衍射是透射電子顯微鏡的基礎(chǔ)，研究物質(zhì)的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。非光譜分析方法2023/1/15462023/1/1546A22不共面，苯環(huán)A與噻唑環(huán)的二面角是11.14o，噻唑環(huán)與苯環(huán)B的是61.79o，而苯環(huán)B與咪唑啉二酮環(huán)的是68.01o。通過N(3)-H(3)???O(1)以及N(4)-H(4)???O(3)分子間氫鍵形成規(guī)則晶體。2023/1/1547第三節(jié)光譜分析法的設(shè)備特點

用來研究吸收、發(fā)射或熒光的電磁輻射強(qiáng)度和波長關(guān)系的儀器叫做光譜儀或分光光度計

光譜儀或分光光度計一般包括五個基本單元：光源、單色器、樣品容器、檢測器和讀出器件。

2023/1/1548

2023/1/15492023/1/15502023/1/15512023/1/15521.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；(一)輻射源2.依據(jù)光源性質(zhì)不同，分為：連續(xù)光源：在較大范圍提供連續(xù)波長的光源，氫燈、氘燈、鎢絲燈等；線光源：提供特定波長的光源，金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極燈、激光等；2023/1/15532023/1/1554棱鏡

不同波長的光在同一介質(zhì)中具有不同的折射率。2023/1/15552.光柵由玻璃片或金屬片制成，其上準(zhǔn)確地刻有大量寬度和距離都相等的平行線條（刻痕）。原理