《光學(xué)分析法基礎(chǔ)》課件

第一章

光學(xué)分析法基礎(chǔ)1.1

光學(xué)分析法及其特點(diǎn)1.2電磁輻射的基本性質(zhì)1.3

光學(xué)分析法分類1.4各種光學(xué)分析方法簡(jiǎn)介1.5光學(xué)分析法進(jìn)展第一節(jié)

光學(xué)分析法概述Introductiontoopticalanalysis

Fundamentalofopticalanalysis

2024/7/22第一頁(yè)，共74頁(yè)。1.1

光學(xué)分析法及其特點(diǎn)

光分析法：基于電磁輻射能量與待測(cè)物質(zhì)相互作用后所產(chǎn)生的輻射信號(hào)與物質(zhì)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：射線～無(wú)線電波所有范圍。

相互作用方式：發(fā)射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等。光分析法在研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)表征、表面分析等方面具有其他方法不可取代的地位。2024/7/22第二頁(yè)，共74頁(yè)。光學(xué)分析的三個(gè)基本過(guò)程：（1）能源提供能量。（2）能量與被測(cè)物之間的相互作用。（3）產(chǎn)生信號(hào)。

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（不同于色譜分析）。（3）涉及大量光學(xué)元器件。2024/7/22第三頁(yè)，共74頁(yè)。1.1.2

電磁輻射的基本性質(zhì)

電磁輻射（電磁波）：以巨大速度（接近光速真空中為光速）通過(guò)空間傳播不需要以任何物質(zhì)作為傳播媒介的一種能量。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)電磁輻射具有波動(dòng)性和微粒性；2024/7/22第四頁(yè)，共74頁(yè)。

(一)光的波動(dòng)性

電磁輻射為正弦波（波長(zhǎng)、頻率、速度、振幅）。與其它波，如聲波不同，電磁波不需傳播介質(zhì)，可在真空中傳輸。

頻率：為空間某點(diǎn)的電場(chǎng)每秒鐘達(dá)到正極大值的次數(shù)

周期：兩個(gè)相鄰矢量極大（或極小）通過(guò)空間某固定點(diǎn)所需的時(shí)間間隔叫做輻射的周期

波長(zhǎng):電磁輻射轉(zhuǎn)播的速度v=

波數(shù):是1cm內(nèi)波的數(shù)目

=1/2024/7/22第五頁(yè)，共74頁(yè)。光的粒子性當(dāng)物質(zhì)發(fā)射電磁輻射或者電磁輻射被物質(zhì)吸收時(shí)，就會(huì)發(fā)生能量躍遷。此時(shí)，電磁輻射不僅具有波的特征，而且具有粒子性，最著名的例子是光電效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。

1）光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）現(xiàn)象：1887，HeinrichHetz（在光照時(shí)，兩間隙間更易發(fā)生火花放電現(xiàn)象）解釋：1905，Einstein理論，E=h

證明：1916，Millikan（真空光電管）2024/7/22第六頁(yè)，共74頁(yè)。2)能態(tài)（Energystate）量子理論(MaxPlanck，1900)：物質(zhì)粒子總是處于特定的不連續(xù)的能量狀態(tài)，即能量是量子化的；處于不同能量狀態(tài)粒子之間發(fā)生能量躍遷時(shí)的能量差

E可用h

表示。兩個(gè)重要推論：物質(zhì)粒子存在不連續(xù)的能態(tài)，各能態(tài)具有特定的能量。當(dāng)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，該粒子將吸收或發(fā)射完全等于兩個(gè)能級(jí)之間的能量差；反之亦是成立的，即E=E1-E0=h2024/7/22第七頁(yè)，共74頁(yè)。光與物質(zhì)的相互作用:(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：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：干涉現(xiàn)象；(7)衍射：光繞過(guò)物體而彎曲地向后面?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。2024/7/22第八頁(yè)，共74頁(yè)。丁鐸爾散射:光通過(guò)含有許多大質(zhì)點(diǎn)（其顆粒大小的數(shù)量級(jí)等于光波的波長(zhǎng)）的介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的散射光。乳濁液、懸浮物溶液、膠體溶液等所引起的散射。分子散射（瑞利散射和拉曼散射）：輻射能與比輻射波長(zhǎng)小得多的分子或分子聚集體之間的相互作用而產(chǎn)生的。2024/7/22第九頁(yè)，共74頁(yè)。(1)瑞利散射

光子與分子間“彈性碰撞”。入射光能量小，分子外層電子不躍遷，分子躍遷到“受激虛態(tài)”(較高的振動(dòng)能級(jí))，不穩(wěn)定，在10-15～10-12s回到基態(tài)，將吸收的能量以入射光同樣的波長(zhǎng)釋放，相當(dāng)于光子改變了運(yùn)動(dòng)方向。2024/7/22第十頁(yè)，共74頁(yè)。（2）拉曼散射

光子與分子間“非彈性碰撞”，有能量變化，產(chǎn)生與入射光波長(zhǎng)不同的散射光。拉曼散射光。波長(zhǎng)短于入射光的稱為“反斯托克線”；反之稱為“斯托克線。2024/7/22第十一頁(yè)，共74頁(yè)。（3）拉曼位移

拉曼散射光與瑞利散射光的頻率差。與物質(zhì)分子的振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。不同分子有不同的拉曼位移。拉曼位移是表征物質(zhì)分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)特性的一個(gè)物理量，反映了分子極化率的變化，可用于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析?！鳓?ν-ν0拉曼位移2024/7/22第十二頁(yè)，共74頁(yè)。2024/7/22第十三頁(yè)，共74頁(yè)。2024/7/22第十四頁(yè)，共74頁(yè)。電磁波譜的排列從上到下隨波長(zhǎng)的逐漸增大，頻率和光量子的能量逐漸減小。（量變→質(zhì)變）a.

高能輻射區(qū)γ核能級(jí)躍遷

X內(nèi)層電子能級(jí)b.

光學(xué)光譜區(qū)紫外可見紅外c.

低能輻射區(qū)微波區(qū)射頻區(qū)2024/7/22第十五頁(yè)，共74頁(yè)。1.1.3

光學(xué)分析法的分類

光譜法—基于物質(zhì)與輻射能作用時(shí)，分子發(fā)生能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射的波長(zhǎng)或強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法；

原子光譜、分子光譜、非光譜法

原子光譜（線性光譜）：最常見的三種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）；

基于原子內(nèi)層電子躍遷的X射線熒光光譜（XFS）；基于原子核與射線作用的穆斯堡譜。2024/7/22第十六頁(yè)，共74頁(yè)。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；紫外光譜法（UV）；紅外光譜法（IR）；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）。

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。

2024/7/22第十七頁(yè)，共74頁(yè)。光學(xué)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2024/7/22第十八頁(yè)，共74頁(yè)。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紅外光譜核磁共振紫外可見紅外光譜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2024/7/22第十九頁(yè)，共74頁(yè)。1.1.4

各種光學(xué)分析方法簡(jiǎn)介1.原子發(fā)射光譜分析法

以火焰、電弧、等離子炬等作為光源，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。2024/7/22第二十頁(yè)，共74頁(yè)。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)，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。

2024/7/22第二十一頁(yè)，共74頁(yè)。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。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。2024/7/22第二十二頁(yè)，共74頁(yè)。

利用溶液中分子吸收紫外和可見光產(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。8.紫外吸收光譜分析法2024/7/22第二十三頁(yè)，共74頁(yè)。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)，晶體衍射圖和數(shù)據(jù)。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)。2024/7/22第二十四頁(yè)，共74頁(yè)。1.1.5

光學(xué)分析法的進(jìn)展1.采用新光源，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)。2024/7/22第二十五頁(yè)，共74頁(yè)。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。2024/7/22第二十六頁(yè)，共74頁(yè)。三種光學(xué)分析法測(cè)量過(guò)程示意圖

2024/7/22第二十七頁(yè)，共74頁(yè)。內(nèi)容選擇結(jié)束1.1光學(xué)分析法基礎(chǔ)

1.2

原子光譜與分子光譜

1.3光譜法儀器與光學(xué)器件

1.4光學(xué)分析法的進(jìn)展2024/7/22第二十八頁(yè)，共74頁(yè)。第一章

光學(xué)分析法基礎(chǔ)1.2.1原子光譜1.2.2

分子光譜

第二節(jié)

原子光譜與分子光譜AtomspectrumandmolecularspectrumFundamentalofopticalanalysis

2024/7/22第二十九頁(yè)，共74頁(yè)。1.2.1原子光譜核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用主量子數(shù)n、角量子數(shù)l、磁量子數(shù)m和自旋量子數(shù)s來(lái)描述。光譜項(xiàng)原子的能量狀態(tài)需要用以n、L、S、J四個(gè)量子數(shù)為參數(shù)的光譜項(xiàng)來(lái)表征。2024/7/22第三十頁(yè)，共74頁(yè)。1.光譜項(xiàng)符號(hào)

原子外層有一個(gè)電子時(shí)，其能級(jí)可由四個(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；

原子外層有多個(gè)電子時(shí)，價(jià)電子用主量子數(shù)n；總角量子數(shù)L；總自旋量子數(shù)S；總內(nèi)量子數(shù)J

來(lái)描述。2024/7/22第三十一頁(yè)，共74頁(yè)?？偨橇孔訑?shù):

L

=∑l

外層價(jià)電子角量子數(shù)的矢量和，(2L+1)個(gè)

L

=|l

1+l2|，|l

1+l2-1|，······，|l

1-l2|

分別用s，p，d，f······，表示:

L

=0，1，2，3，······，例：碳原子，基態(tài)的電子層結(jié)構(gòu)(1s)2(2s)2(2p)2，

兩個(gè)外層2p

電子：L

=2，1，02024/7/22第三十二頁(yè)，共74頁(yè)?？傋孕孔訑?shù)：

S

=∑s

；外層價(jià)電子自旋量子數(shù)的矢量和，(2S+1)個(gè)

S

=0，±1，±2，······，±s

或

S=0，

±1/2，3/2，······，±s例：碳原子，基態(tài)的電子層結(jié)構(gòu)(1s)2(2s)2(2p)2，

兩個(gè)外層2p

電子：S

=0，±1；

3個(gè)不同值；

L與S之間存在相互作用；可裂分產(chǎn)生(2S+1)個(gè)能級(jí)；這就是原子光譜產(chǎn)生光譜多重線的原因，用

M

表示，稱為譜線的多重性。2024/7/22第三十三頁(yè)，共74頁(yè)。例：鈉原子，一個(gè)外層電子。

S

=1/2；因此：

M=2S

+1=2；雙重線；

堿土金屬：兩個(gè)外層電子，

自旋方向相同時(shí)：

S

=1/2+1/2=1，M=3，三重線

自旋方向相反時(shí)：

S

=1/2－1/2=0，M=1，

單重線2024/7/22第三十四頁(yè)，共74頁(yè)。內(nèi)量子數(shù)J：

內(nèi)量子數(shù)

J

取決于總角量子數(shù)

L和總自旋量子數(shù)

S

的矢量和：

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：L=2，S=1，則J有三個(gè)值，J=3，2，1；L=0，S=1/2；則

J僅有一個(gè)值1/2；

J值稱光譜支項(xiàng)2024/7/22第三十五頁(yè)，共74頁(yè)。原子的能級(jí)通常用光譜項(xiàng)符號(hào)表示：nMLJn：主量子數(shù)；M：譜線多重性符號(hào)；

L：總角量子數(shù)；

J

：內(nèi)量子數(shù)。

鈉原子的光譜項(xiàng)符號(hào)32S1/2；

表示鈉原子的電子處于：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)）。2024/7/22第三十六頁(yè)，共74頁(yè)。電子能級(jí)躍遷的表示:

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)表示各種躍遷或躍遷譜線：例鈉原子的雙重線

Na5889.96;32S1/2—32P3/2；Na5895.93;32S1/2—32P1/2；2024/7/22第三十七頁(yè)，共74頁(yè)。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）總角量子數(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。2024/7/22第三十八頁(yè)，共74頁(yè)。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)?？梢援a(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。2024/7/22第三十九頁(yè)，共74頁(yè)。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。2024/7/22第四十頁(yè)，共74頁(yè)。1.2.2

分子光譜原子光譜為線狀光譜，分子光譜為帶狀光譜；為什么分子光譜為帶狀光譜？原子光譜圖分子光譜圖2024/7/22第四十一頁(yè)，共74頁(yè)。1.分子中的能量E=Ee+Ev+Er+En+Et+Ei分子中原子的核能：En分子的平移能：Et電子運(yùn)動(dòng)能：Ee原子間相對(duì)振動(dòng)能：Ev分子轉(zhuǎn)動(dòng)能：Er基團(tuán)間的內(nèi)旋能：Ei在一般化學(xué)反應(yīng)中，En不變；Et、Ei較小；

E=Ee+Ev+Er分子產(chǎn)生躍遷所吸收能量的輻射頻率：

ν=ΔEe/h+ΔEv/h+ΔEr/h2024/7/22第四十二頁(yè)，共74頁(yè)。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；躍遷至單重激發(fā)態(tài)的幾率大壽命長(zhǎng)2024/7/22第四十三頁(yè)，共74頁(yè)。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。分子紫外-可見吸收光譜：純電子躍遷引起的，故又稱電子光譜，譜帶比較寬。分子紅外吸收光譜：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。分子熒光光譜：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)。分子磷光光譜：處于第一最低單重激發(fā)態(tài)的分子以無(wú)輻射弛豫方式回到第一最低三重激發(fā)態(tài)，再躍遷回到基態(tài)。2024/7/22第四十四頁(yè)，共74頁(yè)。內(nèi)容選擇：結(jié)束1.1光學(xué)分析法基礎(chǔ)

1.2

原子光譜與分子光譜

1.3光譜法儀器與光學(xué)器件

1.4光學(xué)分析法的進(jìn)展2024/7/22第四十五頁(yè)，共74頁(yè)。第三節(jié)光譜分析儀器與光學(xué)器件1.3.1

光譜法儀器的基本流程1.3.2光譜儀器的基本器件第一章

光學(xué)分析法基礎(chǔ)Instrumentsforspectro-metryandopticalpartsFundamentalofopticalanalysis2024/7/22第四十六頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.1

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。2024/7/22第四十七頁(yè)，共74頁(yè)。1.3.2

光譜儀器的基本單元1.光源

依據(jù)方法不同，采用不同光源：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。2024/7/22第四十八頁(yè)，共74頁(yè)。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：進(jìn)口狹縫；準(zhǔn)直裝置(透鏡或反射鏡)；色散裝置(棱鏡、光柵)。2024/7/22第四十九頁(yè)，共74頁(yè)。（1）棱鏡

棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的折射率，波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，折射率?。徊ㄩL(zhǎng)短的光，折射率大。平行光經(jīng)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。2024/7/22第五十頁(yè)，共74頁(yè)。棱鏡的特性與參數(shù)（a）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的距離對(duì)波長(zhǎng)的變化率。倒線色散率：用dλ/dl表示。2024/7/22第五十一頁(yè)，共74頁(yè)。（b）分辨率

相鄰兩條譜線分開程度的度量：：兩條相鄰譜線的平均波長(zhǎng)；

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。△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。2024/7/22第五十二頁(yè)，共74頁(yè)。(2)光柵透射光柵，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。2024/7/22第五十三頁(yè)，共74頁(yè)。（a)光柵的特性

ABCDE表示平面光柵的一段。

光線L在AJF面同相，到達(dá)AKI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。2024/7/22第五十四頁(yè)，共74頁(yè)。光柵的特性：

如果：

d=AC=CE

JC+CK=d(sinα+sinθ)=nλ

即光柵公式：d(sinα+sinθ)=nλ

α、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，反之取負(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。2024/7/22第五十五頁(yè)，共74頁(yè)。光柵的特性：

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。2024/7/22第五十六頁(yè)，共74頁(yè)。(b)光柵的參數(shù)

光柵的特性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，光柵的角色散率決定于光柵常數(shù)d

和光譜級(jí)數(shù)n

，不隨波長(zhǎng)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能有關(guān)；線色散率還與儀器的焦距有關(guān)。2024/7/22第五十七頁(yè)，共74頁(yè)。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）。2024/7/22第五十八頁(yè)，共74頁(yè)。光柵的分辨率R

光柵的分辨率R等于光譜級(jí)次（n）與光柵刻痕條數(shù)（N）的乘積：

光柵越寬、單位刻痕數(shù)越多、R越大。

寬度50mm，N=1200條/mm，一級(jí)光譜的分辨率：

R=1×50×1200=6×1042024/7/22第五十九頁(yè)，共74頁(yè)。中階梯光柵：

特點(diǎn)：刻線數(shù)較少，且呈鋸齒狀，每一個(gè)階梯狀刻槽的寬度是其高度的幾倍，階梯之間的距離是欲色散波長(zhǎng)的10～200倍，閃耀角大。2024/7/22第六十頁(yè)，共74頁(yè)。中階梯光柵：一般來(lái)講，中階梯光柵多在

=

時(shí)使用。光柵方程式為：

n

=2

d

sin

則中階梯光柵的分辨率為：W=254mm，在紫外區(qū)的分辨率可達(dá)到106以上。2024/7/22第六十一頁(yè)，共74頁(yè)。

將中階梯光柵與低色散率的棱鏡配合使用，可使200～800nm的光譜形成光譜級(jí)-波長(zhǎng)的二維光譜，全部譜集中在40mm2的聚焦面上，特別適合多道檢測(cè)器的同時(shí)檢測(cè)。2024/7/22第六十二頁(yè)，共74頁(yè)。凹面光柵：

既具有色散作用也起聚焦作用（凹面反射鏡將色散后的光聚焦）。在圓的焦面上設(shè)置一系列出口狹縫，則可以同時(shí)獲得各種波長(zhǎng)的單色光。2024/7/22第六十三頁(yè)，共74頁(yè)。狹縫

單色器進(jìn)口狹縫起著單色器光學(xué)系統(tǒng)虛光源的作用。復(fù)合光經(jīng)色散元件分開后，在出口曲面上形成相當(dāng)于每條光譜線的像，即光譜。轉(zhuǎn)動(dòng)色散元件可使不同波長(zhǎng)的光譜線依次通過(guò)。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(jìn)口狹縫。分辨率用來(lái)衡量單色器能分開波長(zhǎng)的最小間隔的能力；最小間隔的大小用有效帶寬表示：

S=DWD為線色散率的倒數(shù)；W為狹縫寬度。2024/7/22第六十四頁(yè)，共74頁(yè)。

在原子發(fā)射光譜定性分析時(shí)，減小狹縫寬度，使相鄰譜線的分辨率提高。定量分析時(shí)，增大狹縫寬度，可使光強(qiáng)增加。狹縫兩邊的邊緣應(yīng)銳利且位于同一平面上。2024/7/22第六十五頁(yè)，共74頁(yè)。3.試樣裝置

光源與試樣相互作用的場(chǎng)所。（1）吸收池

紫外-可見分光光度法：石英比色皿。熒光分析法：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

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(xì)內(nèi)容在相關(guān)章節(jié)中介紹。2024/7