第二章光分析導(dǎo)論.ppt

1、2020/7/12,光分析法基礎(chǔ)知識,一、概述 光分析法：是基于電磁輻射能與待測物質(zhì)相互作用后，由所產(chǎn)生的輻射信號來確定待測物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的方法。 光分析法的三個基本組成部分： （1）能量（光源，輻射源）的提供，并能與待測物質(zhì)作用的“信號發(fā)生系統(tǒng)”； （2）色散系統(tǒng)（光譜法）-附圖； （3）信號檢測與處理系統(tǒng),2020/7/12,二、光的性質(zhì)及與物質(zhì)的相互作用 1.光電磁輻射（電磁波）:是一種以極大的速度通過空間，而不需要以任何物質(zhì)作為傳播媒介的能量形式。 電磁波在真空中的傳播速度是2.99792 X 108 m/s,（1）電磁波的性質(zhì)：電磁波具有波動性和粒子性 即“波粒二象性”。 波動性電磁

2、輻射是在空間傳播著的交變電磁場，可以用 頻率()、波長()和波數(shù)()等波參數(shù)表征。,頻率：1秒鐘內(nèi)，通過傳播方向上某一點(diǎn)的波峰或波谷的數(shù)目， 單位：s-1(Hz)； 波長：相鄰波峰（或者相鄰波上任意兩個相同點(diǎn)）之間的距離 =c /, c 為光速，單位：m, cm, m, nm, 等。附圖 波數(shù)：在波的傳播方向上單位長度內(nèi)波的數(shù)目， = 1 / , 單位：cm-1,2020/7/12,粒子性光可以被看作是具有一定能量的粒子流； 這種粒子稱為光子或光量子。 普朗克方程： 該方程將電磁輻射的波動性和粒子性聯(lián)系起來,E，光子能量；h，普朗克常量，6.62610-34 JS 注意： 頻率更能表征輻射的特

3、征 頻率 只決定于輻射源，而與介質(zhì)無關(guān) 波長 與傳播速度V、介質(zhì)（折射率 n=c / V）有關(guān) 越大波動性越強(qiáng)，E越大粒子性越強(qiáng),2020/7/12,核躍遷,磁場中自旋取向,分子轉(zhuǎn)動,分子振動,共價電子躍遷,內(nèi)層電子躍遷,波數(shù) (cm-1),波長 (m),200 nm,800 nm,電磁波譜區(qū)域,近紫外,電磁波普電磁輻射按照波長的長短排列起來。,2020/7/12,電磁波譜區(qū)域與相應(yīng)的光譜分析方法 光譜區(qū)域 波長范圍 躍遷類型 光譜分析方法 射線 0.001 0.1 核能級躍遷 射線發(fā)射 法 莫斯堡爾 法 X射線 0. 1 100 原子內(nèi)層電子能級躍遷 X-熒光、衍射法 電子能譜分析法 真空紫

4、外 10200nm 真空紫外吸收光譜法 紫外 200400nm 外層電子及價電子能級 紫外可見吸收光譜法 可見 400800nm 外層電子及價電子能級 原子吸收、發(fā)射、熒光法 分子熒光光譜法 近紅外 0.82.5m 分子振動能級 紅外吸收光譜 法 中紅外 2.550m 分子振動能級 拉曼光譜 法 遠(yuǎn)紅外 50300m 分子轉(zhuǎn)動能級 微波 0.31000mm 分子轉(zhuǎn)動、電子自旋能級 微波吸收、電子順磁共振譜 無線電波 1m 1000m 核自旋 核磁共振譜,2020/7/12,能譜分析法波長小于10nm，能量大于102eV的電磁波譜， 粒子性明顯，稱為能譜，由此建立的分析方法 稱為能譜分析法。如，

5、X射線衍射技術(shù)、X射線 光電子能譜技術(shù)。,X射線衍射分析（X-ray diffraction，簡稱XRD），是利用晶體形成的X射線衍射，對物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法。將具有一定波長的X射線照射到結(jié)晶性物質(zhì)上時，X射線因在結(jié)晶內(nèi)遇到規(guī)則排列的原子或離子而發(fā)生散射. 散射的X射線在某些方向上相位得到加強(qiáng)，從而顯示與結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的特有的衍射現(xiàn)象。X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)點(diǎn)。,2020/7/12,波譜分析法波長大于1mm，能量小于10-3eV的電磁波譜， 波動性明顯，稱為波譜，由此建立的分析方法 稱為波譜分析法。如核

6、磁共振波譜,光譜分析法波長及能量介于上述兩種波譜之間的電磁波譜 通常借助于光學(xué)儀器獲得，稱為光學(xué)光譜，由 此建立的分析方法稱為光譜分析法。,2020/7/12,復(fù)色光與單色光 復(fù)色光包含多種頻率成分的光； 單色光采用一定方法獲得的只包含一種頻率 成分的光。,普通分析方法所獲得的單色光往往不只包含一種頻率成分；,光譜線的寬度（或半寬度）表示單色光的單色性； 譜線寬度越窄，光譜線所包含的頻率（或波長）范圍越窄； 表示單色性越好。,如，太陽光中紅色光的波長范圍是640680nm， 金屬鈉蒸汽發(fā)射的黃光波長范圍是589.0589.6nm， 氦氖激光器發(fā)射的紅光波長為632.8nm，寬度只有10-6nm

7、,2020/7/12,光的互補(bǔ)：若兩種不同顏色的單色光按一定的強(qiáng)度比例混合得到白光（無色的光），那么就稱這兩種單色光為互補(bǔ)色光，這種現(xiàn)象稱為光的互補(bǔ)。,2020/7/12,光與物質(zhì)的作用 光的吸收、發(fā)射 光的吸收光與物質(zhì)接觸時，某些頻率的光被 選擇性吸收并使其強(qiáng)度減弱，叫物質(zhì)對光的吸收；,只有單色光才符合Lambert-Beer定律,K，比例常數(shù)，與介質(zhì)的性質(zhì)、溫度及入射光波長有關(guān)； 當(dāng)c以mol/L表示，L以cm表示時，K稱為摩爾吸收系數(shù)，用表示，單位為L/mol/cm； 在特定波長（或頻率）及介質(zhì)下，是在一定溫度下光吸收物質(zhì)的一個特征常數(shù)，是該物質(zhì)光吸收能力的量度。,2020/7/12,光

8、分析儀器的基本單元：,1.光源：需具有一定強(qiáng)度與穩(wěn)定性；可分為連續(xù)光源與線光源,2020/7/12,2.單色器：包括色散元件（光柵和棱鏡）、狹縫、準(zhǔn)直鏡等， 作用是將復(fù)色光色散成光譜帶，以提供光譜帶或 單色光。,2020/7/12,（1）棱鏡由一塊左旋石英和一塊右旋石英組成的三棱體， 頂角60度。 一束平行復(fù)合光經(jīng)過棱鏡分光后，形成按波長順序排列的光譜帶，聚焦后再焦面上的不同位置成像，依次通過狹縫，即可獲得不同波長的單色光。,棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率； 因此由棱鏡獲得的是非均勻排列光譜。,2020/7/12,（2）光柵是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散(分解為光譜)的光學(xué)元件。 最早的光

9、柵是1821年由德國科學(xué)家J.夫瑯和費(fèi)用細(xì)金屬絲密排地繞在兩平行細(xì)螺絲上制成的。因形如柵欄，故名為“光柵”?，F(xiàn)代光柵是用精密的刻劃機(jī)在玻璃或金屬片上刻劃上大量平行等寬、等距狹縫(刻線)的平面玻璃或金屬片。光柵的狹縫數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條；,2020/7/12,3.狹縫：包括入射狹縫和出射狹縫；由兩片精密加工的、具有 銳利邊緣的金屬片組成，兩邊必須保持相互平行并位 于同一平面上。,單色器的入射狹縫起著系統(tǒng)的虛擬光源的作用，經(jīng)色散后的不同波長的單色平行光束(光譜)由物鏡聚焦在出射狹縫的平面上，調(diào)節(jié)狹縫寬度，可控制光強(qiáng)。,4.檢測器：大多采用光檢測器與熱檢測器，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐?檢測的電信

10、號。,2020/7/12,光譜法：以能源與物質(zhì)相互引起原子、分子內(nèi)部量子化能級之間“躍遷”所產(chǎn)生的光的吸收、發(fā)射、散射等波長與強(qiáng)度的變化關(guān)系為基礎(chǔ)的光分析法。,原子發(fā)射光譜儀,火焰原子吸收光譜儀,2020/7/12,1.光譜產(chǎn)生的原理,分子中包含有原子和電子；分子、原子、電子都是運(yùn)動著的物質(zhì)，都具有能量，這些能量都是量子化的；在一定的條件下，分子處于一定的運(yùn)動狀態(tài)，物質(zhì)分子內(nèi)部運(yùn)動狀態(tài)有三種形式：,電子運(yùn)動：電子繞原子核作相對運(yùn)動電子能級；,原子運(yùn)動：分子中原子或原子團(tuán)在其平衡位置上作相對振動振動能級；,分子轉(zhuǎn)動：整個分子繞其重心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 轉(zhuǎn)動能級,2020/7/12,物質(zhì)粒子吸收某種特定的

11、光子后，由某低能級躍遷到某高能級，把物質(zhì)對光的吸收情況按照波長的次序排列記錄下來，就得到“吸收光譜”；,吸收了能量的粒子由高能級躍遷到低能級時，以光輻射形式釋放出多余的能量，把光的發(fā)射按照波長的次序排列記錄下來，就得到“發(fā)射光譜”；,分子中的電子能級差E電約為419KJ/mol; 同一電子能級中，振動能級差E振約為21KJ/mol; 同一振動能級中，轉(zhuǎn)動能級差E轉(zhuǎn)約為0.042KJ/mol;,僅發(fā)生轉(zhuǎn)動能級躍遷時，產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外吸收光譜； 發(fā)生振動能級躍遷時，產(chǎn)生紅外吸收光譜（振動光譜）； 發(fā)生電子能級躍遷時，產(chǎn)生紫外吸收光譜（電子光譜）,2020/7/12,2020/7/12,2020/7/12,發(fā)射光譜的特征是在暗背景上有明亮的譜線或譜區(qū)； 吸收光譜的特征則是在連續(xù)的亮背景上有暗線或暗區(qū)。,原子光譜是由于原子外層或內(nèi)層電子能級的躍遷所產(chǎn)生的光譜，它的表現(xiàn)形式為線狀光譜。,由于原子沒有振動和轉(zhuǎn)動能級，原子光譜主要是電子能級躍遷產(chǎn)生的，不會疊加振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷，因此發(fā)射或吸收的是一些頻率（或波長）不連續(xù)的輻射，相應(yīng)的原子