第四章材料光譜分析導(dǎo)論

第四章材料光譜分析導(dǎo)論第1頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四前階段授課內(nèi)容第三章材料熱分析

§1.材料熱分析緒論§2.熱分析物理基礎(chǔ)§3.差熱分析法（DTA）§4.差示掃描量熱法（DSC）§5.熱重分析（TGA）§6.熱膨脹分析§7.熱釋光分析§8.熱分析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2023/5/5第2頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四章材料光譜分析導(dǎo)論

§1.材料光分析方法基礎(chǔ)§2.原子光譜與分子光譜§3.光譜法儀器與光學(xué)器件2023/5/5第3頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、材料光分析法概述

opticalanalysisanditscharacteristics

光分析法：基于待測(cè)物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射信號(hào)或電磁輻射能量與待測(cè)物質(zhì)相互作用后所產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)與材料組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系所建立起來(lái)的分析方法。

電磁輻射范圍：γ射線～無(wú)線電波所有范圍材料光分析方法是進(jìn)行材料微觀測(cè)試分析的主要技術(shù)，在進(jìn)行材料微觀組成與結(jié)構(gòu)表征和材料表面分析等方面具有其他方法不可替代的地位?！?.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第4頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

光分析方法的三個(gè)基本過(guò)程：

（1）激發(fā)源提供激發(fā)能量；（2）激發(fā)能與被測(cè)物之間的相互作用；（3）產(chǎn)生電磁輻射信號(hào)。光分析方法的基本特點(diǎn)：（1）所有光分析法均包含三個(gè)基本過(guò)程；（2）選擇性測(cè)量，不涉及混合物分離；（3）涉及大量光學(xué)元器件?！?.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第5頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、電磁輻射的基本性質(zhì)

basic

propertiesofelectromagneticradiation

電磁輻射（電磁波）：以接近光速（真空中為光速）傳播的能量，電磁輻射具有波動(dòng)性和微粒性。

c=λν=ν/σ

E=hν=hc/λc：光速；λ：波長(zhǎng)；ν：頻率；σ：波數(shù)；E：能量；h：普朗克常數(shù)§1.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第6頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電磁輻射與材料的相互作用方式(1)吸收物質(zhì)選擇性吸收特定頻率的輻射能，并從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)；(2)發(fā)射將吸收的能量以光的形式釋放出；(3)散射彈性散射和非彈性散射；(4)光電離

入射光子能量足夠大造成原子或分子產(chǎn)生電離(5)反射與折射

光在兩種介質(zhì)中的傳播行為；(6)干涉干涉現(xiàn)象；(7)衍射光繞過(guò)物體而彎曲地向他后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象；(8)偏振只在一個(gè)固定方向有振動(dòng)的光稱為平面偏振光。§1.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第7頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§1.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第8頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§1.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第9頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、材料光分析方法分類

typeof

opticalanalysis

1.光譜法——對(duì)由物質(zhì)的原子或分子中發(fā)生量子化的能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射等電磁輻射信號(hào)的波長(zhǎng)或強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量分析的方法；包括：原子光譜和分子光譜

原子光譜（線性光譜）：最常見(jiàn)的三種

a.基于原子外層電子躍遷的原子吸收光譜（AAS）、原子發(fā)射光譜（AES）、原子熒光光譜（AFS）；

b.基于原子內(nèi)層電子躍遷的X射線熒光光譜（XFS）；

c.基于原子核與γ射線作用的穆斯堡譜?！?.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第10頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

分子光譜（帶狀光譜）：基于分子中電子能級(jí)、振-轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷；紫外－可見(jiàn)光譜法（UV-Vis）；紅外(拉曼）光譜法（IR，Raman）；分子熒光光譜法（MFS）；分子磷光光譜法（MPS）；核磁共振與順磁共振波譜（N）。2.非光譜法：不涉及能級(jí)躍遷，物質(zhì)與輻射作用時(shí)，僅改變傳播方向等物理性質(zhì)；偏振法、干涉法、旋光法等。

§1.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第11頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四光分析法光譜分析法非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§1.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第12頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§1.材料光分析方法基礎(chǔ)光譜分析法吸收光譜法發(fā)射光譜法原子光譜法分子光譜法原子發(fā)射原子吸收原子熒光X射線熒光原子吸收紫外可見(jiàn)紅外可見(jiàn)核磁共振紫外可見(jiàn)紅外可見(jiàn)分子熒光分子磷光核磁共振化學(xué)發(fā)光原子發(fā)射原子熒光分子熒光分子磷光X射線熒光化學(xué)發(fā)光散射光譜法拉曼光譜拉曼光譜2023/5/5第13頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四、主要材料光分析法簡(jiǎn)介

abriefintroductionofopticalanalysis

1.原子發(fā)射光譜分析法以火焰、電弧、等離子炬等作為激發(fā)源，使氣態(tài)原子的外層電子受激發(fā)射出特征光譜進(jìn)行定量分析的方法。2.原子吸收光譜分析法利用特殊光源發(fā)射出待測(cè)元素的共振線，并將溶液中離子轉(zhuǎn)變成氣態(tài)原子后，測(cè)定氣態(tài)原子對(duì)共振線吸收而進(jìn)行的定量分析方法?！?.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第14頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

3.原子熒光分析法氣態(tài)原子吸收特征波長(zhǎng)的輻射后，外層電子從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，在10-8s后躍回基態(tài)或低能態(tài)時(shí)，發(fā)射出與吸收波長(zhǎng)相同或不同的熒光輻射，在與光源成90度的方向上，測(cè)定熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法。4.分子熒光分析法某些物質(zhì)被紫外光照射激發(fā)后，在回到基態(tài)的過(guò)程中發(fā)射出比原激發(fā)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光，通過(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法?！?.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第15頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5.分子磷光分析法處于第一最低單重激發(fā)態(tài)分子以無(wú)輻射弛豫方式進(jìn)入第一三重激發(fā)態(tài)，再躍遷返回基態(tài)發(fā)出磷光。測(cè)定磷光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法。6.X射線熒光分析法原子受高能輻射，其內(nèi)層電子發(fā)生能級(jí)躍遷，發(fā)射出特征X射線（X射線熒光），測(cè)定其強(qiáng)度可進(jìn)行定量分析。7.化學(xué)發(fā)光分析法利用化學(xué)反應(yīng)提供能量，使待測(cè)分子被激發(fā)，返回基態(tài)時(shí)發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，依據(jù)其強(qiáng)度與待測(cè)物濃度之間的線性關(guān)系進(jìn)行定量分析的方法?！?.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第16頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四8.紫外吸收光譜分析法利用溶液中分子吸收紫外和可見(jiàn)光產(chǎn)生躍遷所記錄的吸收光譜圖，可進(jìn)行化合物結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)最大吸收波長(zhǎng)強(qiáng)度變化可進(jìn)行定量分析。9.紅外吸收光譜分析法利用分子中基團(tuán)吸收紅外光產(chǎn)生的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)吸收光譜進(jìn)行定量和有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析的方法。10.核磁共振波譜分析法在外磁場(chǎng)的作用下，核自旋磁矩與磁場(chǎng)相互作用而裂分為能量不同的核磁能級(jí)，吸收射頻輻射后產(chǎn)生能級(jí)躍遷，根據(jù)吸收光譜可進(jìn)行有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析。

§1.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第17頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四11.順磁共振波譜分析法在外磁場(chǎng)的作用下，電子的自旋磁矩與磁場(chǎng)相互作用而裂分為磁量子數(shù)不同的磁能級(jí)，吸收微波輻射后產(chǎn)生能級(jí)躍遷，根據(jù)吸收光譜可進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。12.旋光法

溶液的旋光性與分子的非對(duì)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(wèn)題，旋光計(jì)測(cè)定糖的含量。13.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)?！?.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第18頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四五、材料光譜分析方法的進(jìn)展

developmentofopticalanalysis

1.采用新激發(fā)源，提高靈敏度

級(jí)聯(lián)光源：電感耦合等離子體-輝光放電；激光蒸發(fā)-微波等離子體。

2.聯(lián)用技術(shù)

電感耦合高頻等離子體（ICP）—質(zhì)譜激光質(zhì)譜：靈敏度達(dá)10-20

g。

3.新材料

光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)，損耗少；抗干擾能力強(qiáng)。§1.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第19頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

4.交叉電致發(fā)光分析；光導(dǎo)纖維電化學(xué)傳感器。

5.檢測(cè)器的發(fā)展

電荷耦合陣列檢測(cè)器光譜范圍寬、量子效率高、線性范圍寬、多道同時(shí)數(shù)據(jù)采集、三維譜圖，將取代光電倍增管。光二極激光器代替空心陰極燈，使原子吸收可進(jìn)行多元素同時(shí)測(cè)定?！?.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第20頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三種光譜分析法測(cè)量過(guò)程示意圖

§1.材料光分析方法基礎(chǔ)2023/5/5第21頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

一、原子光譜1.原子能態(tài)與原子光譜項(xiàng)符號(hào)

原子中核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用五個(gè)量子數(shù)決定：主量子數(shù)n，角量子數(shù)l，磁量子數(shù)m，自旋量子數(shù)s，自旋磁量子數(shù)ms軌道角動(dòng)量的大小為l，方向取決于m。m為軌道角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向分量的大小，取值為0，±1，······，±l。自旋運(yùn)動(dòng)角動(dòng)量的大小為s，方向取決于ms，有正自旋和負(fù)自旋兩種。ms為自旋運(yùn)動(dòng)角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向分量的大小，取值為±1/2?！?.原子光譜與分子光譜2023/5/5第22頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第23頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第24頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四有多個(gè)價(jià)電子的原子，它的每一個(gè)價(jià)電子都可能躍遷而產(chǎn)生光譜。由于價(jià)電子間存在庫(kù)侖斥力等相互作用的微擾，原子的狀態(tài)出現(xiàn)變化，能量發(fā)生分裂，不能對(duì)各單個(gè)價(jià)電子狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單加和，因此必須對(duì)各角動(dòng)量進(jìn)行加和組合（耦合）的能級(jí)修正。常見(jiàn)的是L-S耦合。根據(jù)L-S耦合，原子外層價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（能級(jí)關(guān)系）可用主量子數(shù)n、總軌道量子數(shù)L、總自旋量子數(shù)S、內(nèi)量子數(shù)J、總磁量子數(shù)MJ等原子量子數(shù)來(lái)描述。

原子的光譜項(xiàng)符號(hào)就是通過(guò)以上原子量子數(shù)以及它們之間的不同組合，來(lái)表示原子能態(tài)（原子與電子排布相聯(lián)系的能級(jí)關(guān)系）的一種符號(hào)。

原子的光譜項(xiàng)符號(hào)以nMLJ表示?！?.原子光譜與分子光譜2023/5/5第25頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四A：總軌道（角）量子數(shù)L——電子總軌道角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向分量的大小

L=|∑mi|（電子軌道磁量子數(shù)之和的絕對(duì)值）

分別用字母S，P，D，F(xiàn)，G，H，I，K，L表示:

L=0，1，2，3，4，5，6，7，8總軌道量子數(shù)L是描述具有相同電子層n，相同電子亞層l中在不同電子軌道中電子的能級(jí)分裂變化情況（外磁場(chǎng)存在時(shí)的能級(jí)分裂）——軌道微擾能級(jí)修正§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第26頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例：碳原子，電子組態(tài)(1s)2(2s)2(2p)2，基態(tài)：m1=1，m2=0；

L=1，用P表示；激發(fā)態(tài)一：m1=1，m2

=-1；

L=0，用S表示;激發(fā)態(tài)二：m1=0，m2

=-1；

L=1，用P表示。例：三價(jià)Tb離子，電子組態(tài)(4f)8基態(tài)：L=2×3+2+1+0-1-2-3=3，用F表示。練習(xí)：三價(jià)Pr離子，電子組態(tài)(4f)2基態(tài)：L=3+2=5，用H表示；激發(fā)態(tài)有幾種？其各自符號(hào)是什么？F，G，D，I，P，S§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第27頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四B：總自旋量子數(shù)S——電子總自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向分量大小的最大值S=|∑ms,i|max（電子總自旋磁量子數(shù)絕對(duì)值的最大值）總自旋量子數(shù)S的矢量（電子總自旋磁量子數(shù)∑ms,i，亦即電子總自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向分量）有(2S+1)個(gè)取值：

0，±1，±2，······，±S（當(dāng)S為整數(shù)時(shí)）或±1/2，±

3/2，······，±S（S為半整數(shù)時(shí)）

§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第28頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例：碳原子，電子組態(tài)(1s)2(2s)2(2p)2，基態(tài)下兩個(gè)外層2p電子：L=1，S=1，電子總自旋磁量子數(shù)有0和±1三個(gè)不同值?？傋孕孔訑?shù)S是描述在具有相同電子層n，相同總軌道量子數(shù)L的情況下，電子自旋加和組合狀態(tài)對(duì)原子能級(jí)分裂的影響（外磁場(chǎng)存在時(shí)的能級(jí)分裂）——電子自旋微擾能級(jí)修正這種裂分產(chǎn)生的(2S+1)個(gè)能級(jí)就是原子光譜產(chǎn)生光譜多重線的原因，用M表示，稱為譜線的多重性：M=2S+1?！?.原子光譜與分子光譜2023/5/5第29頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例：鈉原子：一個(gè)外層價(jià)電子，

S=1/2；因此：M=2(S)+1=2；雙重線；

鈣原子：兩個(gè)外層價(jià)電子，

基態(tài)：價(jià)電子組態(tài)為：4S2，電子自旋方向相反，S=1/2－1/2=0，M=1，故基態(tài)能級(jí)為單重線；某激發(fā)態(tài)：價(jià)電子組態(tài)為：4S13d1，S=1/2+1/2=1，M=3，電子總自旋磁量子數(shù)有0和±1三個(gè)不同取值，故該激發(fā)態(tài)能級(jí)為三重線。這些多重譜線最終分裂的數(shù)目取決于J量子數(shù)的個(gè)數(shù)?！?.原子光譜與分子光譜2023/5/5第30頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四C：內(nèi)量子數(shù)（總量子數(shù)）J

內(nèi)量子數(shù)J取決于總軌道量子數(shù)L和總自旋量子數(shù)S的矢量和的大?。海↙-S耦合）

J=(L+S)，(L+S－1)，······，|L－S|若L≥S；其數(shù)值共(2S+1)個(gè)；若L＜S；其數(shù)值共(2L+1)個(gè)；例鈉原子3S1基態(tài)：L=0，S=1/2；則J僅有一個(gè)值1/2；鈉原子3p1激發(fā)態(tài)，L=1：S=1/2；則J=3/2,1/2；鈣原子4S2基態(tài)：L=0，S=0，則J僅有一個(gè)值0；鈣原子4S13d1激發(fā)態(tài)，L=2：S=1，則J=3，2，1?！?.原子光譜與分子光譜2023/5/5第31頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四J值又稱為光譜支項(xiàng)，每一個(gè)J值相當(dāng)于一定的精細(xì)能級(jí)，按由低到高能級(jí)排列。在強(qiáng)的外磁場(chǎng)作用下，光譜支項(xiàng)可再次分裂為2J＋1條能量差異更小的能級(jí)（塞曼分裂）。原子能態(tài)的光譜項(xiàng)符號(hào)：nMLJ鈉原子的光譜項(xiàng)符號(hào)32S1/2；表示鈉原子的價(jià)電子處于n=3，M=2(S=1/2)，L=0，

J=1/2的能級(jí)狀態(tài)（基態(tài)能級(jí)）?！?.原子光譜與分子光譜2023/5/5第32頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四A.原子基態(tài)與激發(fā)態(tài)B.電子能級(jí)躍遷C.輻射躍遷與無(wú)輻射躍遷一條譜線是原子的外層電子在兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷產(chǎn)生的，可用兩個(gè)光譜項(xiàng)符號(hào)表示某種躍遷或躍遷譜線。

例鈉原子的雙重線

Na5889.96;32S1/2—32P3/2；Na5895.93;32S1/2—32P1/2；§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第33頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子能級(jí)躍遷的選擇定則

根據(jù)量子力學(xué)原理，電子的躍遷不能在任意兩個(gè)能級(jí)之間進(jìn)行；必須遵循一定的“選擇定則”：（1）主量子數(shù)的變化Δn為整數(shù)，包括零；（2）總軌道量子數(shù)的變化ΔL=±1；（3）內(nèi)量子數(shù)的變化ΔJ=0，±1；但是當(dāng)J=0時(shí)，ΔJ=0的躍遷被禁阻；（4）總自旋量子數(shù)的變化ΔS=0

，即不同多重性狀態(tài)之間的躍遷被禁阻。§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第34頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第35頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

2.能級(jí)圖元素的光譜線系常用能級(jí)圖來(lái)表示。最上面的是光譜項(xiàng)符號(hào)；最下面的橫線表示基態(tài)；上面的表示激發(fā)態(tài)；可以產(chǎn)生的躍遷用線連接；線系：由各種高能級(jí)躍遷到同一低能級(jí)時(shí)發(fā)射的一系列光譜線?！?.原子光譜與分子光譜2023/5/5第36頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

3.共振線元素由基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的躍遷最易發(fā)生，需要的能量最低，產(chǎn)生的譜線也最強(qiáng)，該譜線稱為共振線，也稱為該元素的特征譜線?！?.原子光譜與分子光譜2023/5/5第37頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

二、分子光譜原子光譜為線狀光譜，分子光譜為帶狀光譜（原因？）原子光譜圖分子光譜圖§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第38頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.分子總能量與能級(jí)結(jié)構(gòu)E=Ee+Ev+Er+En+Et+Ei核外電子運(yùn)動(dòng)能：Ee原子間相對(duì)振動(dòng)能（分子振動(dòng)能）：Ev分子轉(zhuǎn)動(dòng)能：Er分子中原子的核能：En分子的平移能：Et基團(tuán)間的內(nèi)旋能：Ei§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第39頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在一般的物質(zhì)變化中，En不變，Et與Ei較小，因此：E=Ee+Ev+Er

分子能級(jí)ΔE由電子能級(jí)，振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)構(gòu)成。

ΔE=ΔEe+ΔEv+ΔEr由于三個(gè)能量Ee，Ev，Er均是量子化的，故分子能級(jí)也是量子化的。由于ΔEe

>ΔEv

>ΔEr故同一電子能級(jí)因振動(dòng)能量不同分為若干振動(dòng)能級(jí)，而同一振動(dòng)能級(jí)又因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)能量不同分為若干轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第40頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.雙原子分子能級(jí)圖

分子中價(jià)電子位于自旋成對(duì)的單重基態(tài)S0分子軌道上，當(dāng)電子被激發(fā)到高能級(jí)上時(shí)，若激發(fā)態(tài)與基態(tài)中的電子自旋方向相反，稱為單重激發(fā)態(tài)，以S1、S2、······表示；反之，稱為三重激發(fā)態(tài)，以T1、T2、······表示；單重態(tài)分子具有抗磁性；三重態(tài)分子具有順磁性；由單重基態(tài)S0至單重激發(fā)態(tài)S1的躍遷符合選擇定則，幾率大§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第41頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

3.躍遷類型與分子光譜

分子光譜復(fù)雜，電子躍遷時(shí)帶有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷——帶狀光譜產(chǎn)生的根源。分子的紫外-可見(jiàn)吸收是由純電子躍遷引起的，故又稱電子光譜，譜帶比較寬；分子的紅外吸收和拉曼散射是由于分子中基團(tuán)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷引起的，故也稱振轉(zhuǎn)光譜?！?.原子光譜與分子光譜2023/5/5第42頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

分子的熒光是在紫外或可見(jiàn)光照射下，電子躍遷至單重激發(fā)態(tài)，并以無(wú)輻射弛豫方式回到第一單重激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)，再躍回基態(tài)或基態(tài)中的其他振動(dòng)能級(jí)所發(fā)出的光；分子的磷光是指處于第一最低單重激發(fā)態(tài)的分子以無(wú)輻射弛豫方式躍遷到第一最低三重激發(fā)態(tài)（系間竄躍），再躍遷回到基態(tài)所發(fā)出的光。由于T1→S0的躍遷過(guò)程是自旋禁阻的，其躍遷速率慢，發(fā)光壽命較長(zhǎng)（約為10-4~10s），因此，這種躍遷所發(fā)射的光，在激發(fā)停止后，仍可持續(xù)一段時(shí)間。§2.原子光譜與分子光譜2023/5/5第43頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、光譜分析法儀器的基本流程光譜儀器通常包括五個(gè)基本單元：光源；單色器；樣品；檢測(cè)器；顯示與數(shù)據(jù)處理?！?.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第44頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、光譜分析法儀器的基本單元1.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：在較大范圍提供連續(xù)波長(zhǎng)的光源，氫燈、氘燈、鎢絲燈等；

線光源：提供特定波長(zhǎng)的光源，金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極燈、激光等。§3.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第45頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.單色器

單色器：獲得高光譜純度輻射束的裝置，而輻射束的波長(zhǎng)可在很寬范圍內(nèi)任意改變。

主要部件：（1）進(jìn)口狹縫；（2）準(zhǔn)直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線；（3）色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長(zhǎng)的輻射以不同的角度進(jìn)行傳播?！?.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第46頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

（4）聚焦透鏡或凹面反射鏡，使每個(gè)單色光束在單色器的出口曲面上成像?！?.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第47頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四棱鏡棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率，波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，折射率??；波長(zhǎng)短的光，折射率大。平行光經(jīng)過(guò)棱鏡后按波長(zhǎng)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(zhǎng)展開(kāi)的光譜。

棱鏡的分辨能力取決于棱鏡的幾何尺寸和材料。棱鏡的光學(xué)特性可用色散率和分辨率來(lái)表征?！?.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第48頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）色散率

角色散率：用dθ/dλ表示，偏向角θ對(duì)波長(zhǎng)的變化率；棱鏡的頂角越大或折射率越大，角色散率越大，分開(kāi)兩條相鄰譜線的能力越強(qiáng)，但頂角越大，反射損失也增大，通常為60度角；線色散率：用dl/dλ表示，兩條相鄰譜線在焦面上被分開(kāi)的距離對(duì)波長(zhǎng)的變化率；倒線色散率：用dλ/dl表示。棱鏡的特性與參數(shù)§3.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第49頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

（2）分辨率相鄰兩條譜線分開(kāi)程度的度量：：兩條相鄰譜線的平均波長(zhǎng)；△λ：兩條譜線的波長(zhǎng)差；b：棱鏡的底邊長(zhǎng)度；n：棱鏡介質(zhì)材料的折射率。分辨率與波長(zhǎng)有關(guān)，長(zhǎng)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?！?.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第50頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四透射光柵，反射光柵；光柵光譜的產(chǎn)生是多狹縫干涉與單狹縫衍射共同作用的結(jié)果，前者決定光譜出現(xiàn)的位置，后者決定譜線強(qiáng)度分布。光柵§3.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第51頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四光柵§3.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第52頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四ABCDE表示平面光柵的一段；光線L在AJF處同相，到達(dá)AKI平面，光線L2M2要比光線L1M1多通過(guò)JCK這段距離。FEI=2JCK，其后各縫隙的光程差將以等差級(jí)數(shù)增加，3JCK、4JCK等。當(dāng)光線M1、M2、M3到達(dá)焦點(diǎn)時(shí)，如果他們沿平面波陣面AKI同相位，他們就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明亮的光源相，只有JCK是光線波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)才能滿足條件。光柵的特性§3.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第53頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四如果：d=AC=CEJC+CK=d(sinα+sinθ)=nλ即光柵公式：d(sinα+sinθ)=nλα、θ分別為入射角和反射角；整數(shù)n為光譜級(jí)次；d為光柵常數(shù)；α角規(guī)定取正值，如果θ角與α角在光柵法線同側(cè)，θ角取正值，反之區(qū)負(fù)值；當(dāng)n=0時(shí)，零級(jí)光譜，衍射角與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，無(wú)分光作用。光柵的特性§3.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第54頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四將反射光柵的線槽加工成適當(dāng)形狀能使有效強(qiáng)度集中在特定的衍射角上。圖所示反射光柵是由與光柵表面成β角的小斜面構(gòu)成(小階梯光柵，閃耀光柵)，β角叫做閃耀角。選擇適宜的閃耀角，可以使90%的有效能量集中在單獨(dú)一級(jí)的衍射上。光柵的特性§3.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第55頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四光柵的特性也可用色散率和分辨率來(lái)表征，當(dāng)入射角不變時(shí)，光柵的角色散率可通過(guò)對(duì)光柵公式求導(dǎo)得到：dθ/dλ為入射角對(duì)波長(zhǎng)的變化率，即光柵的角色散率。當(dāng)θ很小，且變化不大時(shí)，cosθ≈1，因此光柵的角色散率僅決定于光柵常數(shù)d和光譜級(jí)數(shù)n，是一個(gè)常數(shù)，不隨波長(zhǎng)改變，屬于均排光譜（優(yōu)于棱鏡之處）。角色散率只與色散元件的性能有關(guān)；線色散率還與儀器的焦距有關(guān)。光柵的參數(shù)§3.光譜儀器與光學(xué)器件2023/5/5第56頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期四光柵的線色散率f為會(huì)聚透鏡的焦距。光柵的分辨能力根據(jù)Rakleigh準(zhǔn)則來(lái)確定。等強(qiáng)度的兩條譜線（I，II）中，一條（II）的衍射最大強(qiáng)度落在另一條的第一最小強(qiáng)度上時(shí)，兩衍射圖樣中間的光強(qiáng)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學(xué)儀器能分辨的最小距離（可分離的最小波長(zhǎng)間隔）。§3.光譜儀器與光學(xué)器件2023