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第三章紫外及可见吸收光谱法1第1页，本讲稿共111页方法特点方法特点用于无机物和有机物的定量分析，也可以用于无机物和有机物的定量分析，也可以进行有机物的定性及结构分析进行有机物的定性及结构分析 较高的灵敏度（较高的灵敏度（10-410-7gmL-1）和较高）和较高准确度准确度 仪器操作简单快速仪器操作简单快速 2第2页，本讲稿共111页本章讨论内容本章讨论内容讨论光的吸收定律，主要介绍紫外讨论光的吸收定律，主要介绍紫外及可见吸收法的应用，扼要介绍紫外及可及可见吸收法的应用，扼要介绍紫外及可见分光光度计和实验技术见分光光度计和实验技术 3第3页，本讲稿共111页3-1 电磁辐射的选择吸收电磁辐射的选择吸收一物质的颜色一物质的颜色当光照射到物体上，光与物质发生相互作用，产当光照射到物体上，光与物质发生相互作用，产生反射、散射、吸收或透射，对于均匀物体，光的散生反射、散射、吸收或透射，对于均匀物体，光的散射可忽略射可忽略一束光通过某一有色溶液，一些波长的光被溶一束光通过某一有色溶液，一些波长的光被溶液吸收，另一些波长的光则透过透过光或反射光液吸收，另一些波长的光则透过透过光或反射光刺激人眼而使人感觉到颜色存在刺激人眼而使人感觉到颜色存在4第4页，本讲稿共111页可见光：可见光：400750nm溶液的颜色由透射光波长决定溶液的颜色由透射光波长决定物质呈现的颜色是物质对不同波长的光物质呈现的颜色是物质对不同波长的光选择必性吸收的结果如选择必性吸收的结果如CuSO4溶液，溶液，吸收白光吸收白光(复合光复合光)中的黄光而呈蓝色中的黄光而呈蓝色5第5页，本讲稿共111页单色光、复合光、光的互补单色光、复合光、光的互补单色光单色光单色光单色光复合光复合光复合光复合光光的互补光的互补光的互补光的互补单一波长的光单一波长的光单一波长的光单一波长的光由不同波长的光组合而成的光由不同波长的光组合而成的光由不同波长的光组合而成的光由不同波长的光组合而成的光若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光，那么就称这两种单色光为互补色光，这种到白光，那么就称这两种单色光为互补色光，这种到白光，那么就称这两种单色光为互补色光，这种到白光，那么就称这两种单色光为互补色光，这种现象称为光的互补。现象称为光的互补。现象称为光的互补。现象称为光的互补。蓝蓝黄黄紫红紫红绿绿紫紫黄绿黄绿绿蓝绿蓝橙橙红红蓝绿蓝绿6第6页，本讲稿共111页物质颜色与吸收光颜色的互补关系物质颜色与吸收光颜色的互补关系 吸收光吸收光 物质颜色物质颜色 颜色波长颜色波长/nm黄绿紫黄绿紫 400450黄蓝黄蓝 450480橙绿蓝橙绿蓝 480490红蓝绿红蓝绿 490500紫红绿紫红绿 500560 紫黄绿紫黄绿 560580蓝黄蓝黄 580600绿蓝橙绿蓝橙 600650蓝绿红蓝绿红 6507807第7页，本讲稿共111页7.1.2 物质对光的吸收物质对光的吸收物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系完全吸收完全吸收完全透过完全透过吸收黄色光吸收黄色光光谱示意光谱示意表观现象示意表观现象示意8第8页，本讲稿共111页分子吸收光谱的产生分子吸收光谱的产生 在分子中，除了电子相对于原子核的运动外，还有在分子中，除了电子相对于原子核的运动外，还有核间相对位移引起的振动和转动。这三种运动能量都是量核间相对位移引起的振动和转动。这三种运动能量都是量子化的，并对应有一定能级。下图为分子的能级示意图。子化的，并对应有一定能级。下图为分子的能级示意图。电子能级振动能级转动能级BA分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图9第9页，本讲稿共111页 图中图中A和和B表示不同能量的电子能级。在每一电子表示不同能量的电子能级。在每一电子能级上有许多间距较小的振动能级，在每一振动能级上能级上有许多间距较小的振动能级，在每一振动能级上又有许多更小的转动能级。又有许多更小的转动能级。若用若用E电子电子、E振动振动、E转动转动分别表示电子能分别表示电子能级、振动能级转动能级差，即有级、振动能级转动能级差，即有 E电子电子 E振动振动 E转动转动。10第10页，本讲稿共111页处在同一电子能级的分子，可能因其振动能量处在同一电子能级的分子，可能因其振动能量不同，而处在不同的振动能级上。当分子处在同一电不同，而处在不同的振动能级上。当分子处在同一电子能级和同一振动能级时，它的能量还会因转动能量子能级和同一振动能级时，它的能量还会因转动能量不同，而处在不同的转动能级上。所以分子的总能量不同，而处在不同的转动能级上。所以分子的总能量可以认为是这三种能量的总和：可以认为是这三种能量的总和：E分子分子=E电子电子 +E振动振动 +E转动转动11第11页，本讲稿共111页二二 吸收的本质选择性吸收的本质选择性当入射光子的能量等于吸光物质的基态和激发态能量之当入射光子的能量等于吸光物质的基态和激发态能量之差时才会被吸收差时才会被吸收由于物质的分子（或离子）只有有限数目的量子化能级，由于物质的分子（或离子）只有有限数目的量子化能级，所以物质对辐射的吸收是有选择性的所以物质对辐射的吸收是有选择性的 被激发的粒子在被激发的粒子在10-8s后又回到基态，并以热的形式或荧后又回到基态，并以热的形式或荧光等形式释放能量光等形式释放能量12第12页，本讲稿共111页与光子碰撞发生能量转移与光子碰撞发生能量转移 M+hv M*基态基态 激发态激发态 由于分子中的量子化能级是有限的，由于分子中的量子化能级是有限的，不同的物质微粒由于结构不同而具有不不同的物质微粒由于结构不同而具有不同的量子化能级，能级差不同，因此物同的量子化能级，能级差不同，因此物质对光的吸收具有选择性质对光的吸收具有选择性13第13页，本讲稿共111页 光作用于物质时，物质吸收了可见光，而显光作用于物质时，物质吸收了可见光，而显光作用于物质时，物质吸收了可见光，而显光作用于物质时，物质吸收了可见光，而显示出特征的颜色，这一过程与物质的性质及光的示出特征的颜色，这一过程与物质的性质及光的示出特征的颜色，这一过程与物质的性质及光的示出特征的颜色，这一过程与物质的性质及光的性质有关。性质有关。性质有关。性质有关。物质对光的吸收物质对光的吸收物质对光的吸收满足物质对光的吸收满足物质对光的吸收满足物质对光的吸收满足Plank Plank 条件条件条件条件h S2S1S0S3E2E0E1E3h h h 14第14页，本讲稿共111页电子的多重态h +单重态单重态（自旋配对）（自旋配对）电子跃迁电子跃迁激发单重态激发单重态（自旋（自旋 配对配对）电子跃迁电子跃迁 和和自旋翻转自旋翻转h +单重态单重态（自旋配对）（自旋配对）三重态三重态（自旋（自旋 平行平行）15第15页，本讲稿共111页吸收光谱 Absorption Spectrum纯纯纯纯 电子能态电子能态电子能态电子能态 间跃迁间跃迁间跃迁间跃迁S2S1S0S3h E2E0E1E3S2S1S0h A h h h 分子内电子跃迁分子内电子跃迁带状光谱带状光谱锐线光谱锐线光谱锐线光谱锐线光谱 A16第16页，本讲稿共111页物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，这就构成了物质对光的选择吸收基础。这就构成了物质对光的选择吸收基础。这就构成了物质对光的选择吸收基础。这就构成了物质对光的选择吸收基础。例：例：A 物质物质B 物质物质同理，得：同理，得：1 ev=1.6 10-19 J.17第17页，本讲稿共111页三三 吸收曲线吸收曲线定义：定义：将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的有将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的有色溶液，测量每一波长下对光吸收程度，以波长为色溶液，测量每一波长下对光吸收程度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，这种图谱称为该物横坐标，吸光度为纵坐标作图，这种图谱称为该物质的吸收曲线描述了物质对不同波长光的吸收能质的吸收曲线描述了物质对不同波长光的吸收能力力18第18页，本讲稿共111页 特征特征不同浓度的同一物质，在吸收峰附近，吸光度随浓不同浓度的同一物质，在吸收峰附近，吸光度随浓度增加而增大，但最大吸收波长不变度增加而增大，但最大吸收波长不变在最大吸收波长处测定，灵敏度最高在最大吸收波长处测定，灵敏度最高吸收曲线是光度法中选择测定波长的重要依据吸收曲线是光度法中选择测定波长的重要依据 KMnO4溶液的最大吸收波长为溶液的最大吸收波长为525nm,吸收黄绿色吸收黄绿色的光，呈现紫红色的光，呈现紫红色19第19页，本讲稿共111页定性分析与定量分析的基础定性分析与定量分析的基础定性分析基础定性分析基础定性分析基础定性分析基础定量分析基础定量分析基础定量分析基础定量分析基础ABA 在一定的实验条件下，物在一定的实验条件下，物质对光的吸收与物质的浓度成质对光的吸收与物质的浓度成正比正比。A C增增大大物质对光的选择吸收物质对光的选择吸收20第20页，本讲稿共111页3-2 光的吸收定律光的吸收定律一、朗伯一、朗伯-比尔定律比尔定律朗伯定律朗伯定律-dI/I=Kdb21第21页，本讲稿共111页比尔定律比尔定律 光的吸收与溶液中吸光物质的浓度有光的吸收与溶液中吸光物质的浓度有关关 朗伯定律中的比例常数与吸光物质朗伯定律中的比例常数与吸光物质的浓度成正比的浓度成正比22第22页，本讲稿共111页朗伯比尔定律朗伯比尔定律lgI0/I=kbc A=kbc k与物质的性质、入射光的波长及温与物质的性质、入射光的波长及温度等因素有关度等因素有关23第23页，本讲稿共111页 朗伯定律的描述：朗伯定律的描述：当一束单色光照射到任一均匀非散射的当一束单色光照射到任一均匀非散射的含有吸光物质的介质时，吸光度与该吸光物含有吸光物质的介质时，吸光度与该吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比质的浓度及吸收层厚度成正比 各种类型的电磁辐射吸收的基本定律各种类型的电磁辐射吸收的基本定律24第24页，本讲稿共111页T：透光率透光率A：吸光度吸光度1.00.50ACA100500T%TT=0.0%T=0.0%A=A=T=100.0%T=100.0%A=0.0A=0.0A=0.434A=0.434T=36.8%T=36.8%4 吸光度与透光度的关系吸光度与透光度的关系25第25页，本讲稿共111页吸收定律与吸收光谱的关系吸收定律与吸收光谱的关系AC吸吸吸吸光光光光定定定定律律律律A或或 吸吸吸吸收收收收光光光光谱谱谱谱A C max三三三三维维维维谱谱谱谱图图图图26第26页，本讲稿共111页二二 吸光系数和摩尔吸光系数吸光系数和摩尔吸光系数吸光系数吸光系数(a)当当c以以gL-1,b以以cm表示时，常数表示时，常数k以以a表表示，称为吸光系数，示，称为吸光系数，单位为单位为Lg-1cm-1，此时吸收定律为：此时吸收定律为：A=abc 27第27页，本讲稿共111页摩尔吸光系数摩尔吸光系数()浓度浓度c用用molL-1，液层厚度，液层厚度b以以cm为单为单位时，则位时，则K用另用另来表示，来表示，称为摩尔吸光系称为摩尔吸光系数，其单位为数，其单位为Lmol-1cm-1,表示物质浓度为表示物质浓度为1 molL-1，液层厚度为，液层厚度为1cm时，溶液的吸光度时，溶液的吸光度 A=bc 28第28页，本讲稿共111页实际上由实验结果计算实际上由实验结果计算时时，常以被，常以被测测物物质质的的总浓总浓度代替吸光物度代替吸光物质质的的浓浓度，度，则则得到得到的的值实际值实际上是表上是表观观摩摩尔尔吸光系数吸光系数吸光度具有加和性吸光度具有加和性29第29页，本讲稿共111页例例 用用1,10-邻二氮菲比色测定铁，已知邻二氮菲比色测定铁，已知含含Fe2+浓度为浓度为500gL-1，吸收池厚度为，吸收池厚度为2cm，在波长，在波长508nm处测得吸光度处测得吸光度A为为0.19，假设显色反应进行完全，计算摩尔，假设显色反应进行完全，计算摩尔吸光系数吸光系数30第30页，本讲稿共111页解：解：Fe原子量为原子量为55.85 Fe2+=50010-6/55.85 =8.910-6(molL-1)=A/bc=1.1104（Lmol-1cm-1）一定要注意单位一定要注意单位31第31页，本讲稿共111页3-3 吸收的测量吸收的测量 待测溶液必须装在吸收池内，辐射和器待测溶液必须装在吸收池内，辐射和器壁将相互作用，从而会因反射或吸收在每壁将相互作用，从而会因反射或吸收在每个界面上造成辐射强度的损失，在实际测个界面上造成辐射强度的损失，在实际测定工作中，取另一个完全相同的吸收池，定工作中，取另一个完全相同的吸收池，装溶剂作参比进行测定装溶剂作参比进行测定I0和和I 32第32页，本讲稿共111页33第33页，本讲稿共111页3-4 应用比尔定律的局限性应用比尔定律的局限性 标准曲线应当成直线，但是当浓度大时，标准曲线应当成直线，但是当浓度大时，标准曲线不成直线的情形，特别是明显地标准曲线不成直线的情形，特别是明显地看到标准曲线向浓度轴弯曲，个别情形也看到标准曲线向浓度轴弯曲，个别情形也有向吸光度轴弯曲者有向吸光度轴弯曲者 原因：定律本身的基本限制，测定吸原因：定律本身的基本限制，测定吸收的方法有关，浓度改变时伴随着化学变收的方法有关，浓度改变时伴随着化学变化化 34第34页，本讲稿共111页35第35页，本讲稿共111页一、比尔定律的基本限制一、比尔定律的基本限制朗伯定律总是适用的朗伯定律总是适用的吸光度与液层厚度成正比吸光度与液层厚度成正比比尔定律的条件比尔定律的条件 比尔定律只有在描述稀溶液的吸收比尔定律只有在描述稀溶液的吸收时才是正确时才是正确 吸光物质的高浓度（负偏离）吸光物质的高浓度（负偏离）电解质的高浓度（负偏离）电解质的高浓度（负偏离）36第36页，本讲稿共111页正偏离正偏离在理想状况下，吸光物质的光学性质在理想状况下，吸光物质的光学性质必须是均匀的，当试样为胶体、乳状液或必须是均匀的，当试样为胶体、乳状液或有悬浮物质存在时，入射光通过溶液后，有悬浮物质存在时，入射光通过溶液后，有一部分光会因散射而损失，使吸光度增有一部分光会因散射而损失，使吸光度增大，对大，对Beer定律产生正偏差质点的散射定律产生正偏差质点的散射强度是与入射光波长的四次方成反比的，强度是与入射光波长的四次方成反比的，所以散射对紫外区的测定影响更大所以散射对紫外区的测定影响更大37第37页，本讲稿共111页二、非单色光引起的偏离二、非单色光引起的偏离 比尔定律只适用于单比尔定律只适用于单色光色光 实际中入射光用的是实际中入射光用的是复合光复合光举例：以两种波长的举例：以两种波长的复合光作为入射光复合光作为入射光38第38页，本讲稿共111页对对1 1 A A1 1=1 1bc (1)bc (1)对对2 2 A A2 2=2 2bc (2)bc (2)I I0 0=I=I0101+I+I0202=f f1 1I I0 0+f f2 2I I0 0 (3)(3)39第39页，本讲稿共111页复合光通过溶液后复合光通过溶液后 (4)40第40页，本讲稿共111页标准曲线是吸光度标准曲线是吸光度A与浓度与浓度c的关系曲线，其斜率可的关系曲线，其斜率可通过式通过式(4)对对c微分求得微分求得 (5)当当1=2=时，即当入射光为单色光时，式（时，即当入射光为单色光时，式（5）变为变为 dA/dc=b (6)标准曲线的斜率为一定值，即符合比尔定律标准曲线的斜率为一定值，即符合比尔定律 41第41页，本讲稿共111页当入射光为复合光时（当入射光为复合光时（1 2），标准曲线不再是直线），标准曲线不再是直线关系，将式（关系，将式（5）对）对c微分，则微分，则 (7)(7)式右边恒为负值，说明用复合光作入射光时，标式右边恒为负值，说明用复合光作入射光时，标准曲线向浓度轴弯曲，使发生对于比尔定律的偏离准曲线向浓度轴弯曲，使发生对于比尔定律的偏离 1与与2相差愈大，吸收池愈厚，偏离比尔定律相差愈大，吸收池愈厚，偏离比尔定律愈严重愈严重 42第42页，本讲稿共111页在测量中，只要在入射光所包括的波长范围在测量中，只要在入射光所包括的波长范围内，吸光物质的吸光系数没多大差别，对比尔定内，吸光物质的吸光系数没多大差别，对比尔定律的偏离一般是很小的律的偏离一般是很小的由于溶液在紫外及可见区的吸收曲线一般比由于溶液在紫外及可见区的吸收曲线一般比较平滑且较宽，这个条件容易达到，只需要所选较平滑且较宽，这个条件容易达到，只需要所选用的入射辐射波长不在吸收曲线陡变部分即可用的入射辐射波长不在吸收曲线陡变部分即可（图（图3-6）43第43页，本讲稿共111页44第44页，本讲稿共111页吸光质点间相互作用引起的对吸光定律的偏离吸光质点间相互作用引起的对吸光定律的偏离质点间的静电作用质点间的静电作用质点间的静电作用质点间的静电作用质点间的缔合作用质点间的缔合作用质点间的缔合作用质点间的缔合作用质点间的化学反应质点间的化学反应质点间的化学反应质点间的化学反应45第45页，本讲稿共111页依吸光物质的性质，溶液中化学平衡的依吸光物质的性质，溶液中化学平衡的知识，对偏离加以预防和终止。知识，对偏离加以预防和终止。必须严格控制显色反应的条件，获得较必须严格控制显色反应的条件，获得较好的测量结果好的测量结果46第46页，本讲稿共111页显色体系显色体系有色络合物在溶液中有一定程度的离解，有色络合物在溶液中有一定程度的离解，其浓度不等于金属离子的总浓度其浓度不等于金属离子的总浓度如生成有色络合物的显色反应用下式如生成有色络合物的显色反应用下式表示表示 M+nLMLn选择选择MLn有强烈吸收而有强烈吸收而M和和L都没吸都没吸收的波长进行测定，络合物的稳定常数为收的波长进行测定，络合物的稳定常数为47第47页，本讲稿共111页以条件稳定常数表示，则以条件稳定常数表示，则 48第48页，本讲稿共111页上式中上式中M、L分别为未络合的分别为未络合的金属离子浓度和试剂浓度金属离子生金属离子浓度和试剂浓度金属离子生成络合物成络合物MLn的分数为的分数为49第49页，本讲稿共111页当当L为恒定值时，待测金属离子生成络合物的分数就为恒定值时，待测金属离子生成络合物的分数就会保持一定，从而就可使金属离子总浓度同吸光度之会保持一定，从而就可使金属离子总浓度同吸光度之间的关系也服从比尔定律间的关系也服从比尔定律 对于稳定性较高的配合物，只要加入超过化学计量对于稳定性较高的配合物，只要加入超过化学计量的少量试剂，反应可完全进行的少量试剂，反应可完全进行溶剂溶剂对吸收光谱的影响也很重要，它会对生色团对吸收光谱的影响也很重要，它会对生色团的吸收峰高度、波长位置产生影响，从而对比尔的吸收峰高度、波长位置产生影响，从而对比尔定律产生一定的偏离定律产生一定的偏离 50第50页，本讲稿共111页3-5 紫外及可见吸收测量用仪器紫外及可见吸收测量用仪器 紫外紫外-可见分光光度计的基本结构是由可见分光光度计的基本结构是由五个部分组成：即光源、单色器、吸收池、五个部分组成：即光源、单色器、吸收池、检测器和信号指示系统。检测器和信号指示系统。51第51页，本讲稿共111页一、仪器部件一、仪器部件52第52页，本讲稿共111页1辐射源辐射源对光源的基本要求是应在仪器操作所需的对光源的基本要求是应在仪器操作所需的光谱区域内能够发射连续辐射，有足够的光谱区域内能够发射连续辐射，有足够的辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量随波长的变化应尽可能小。随波长的变化应尽可能小。分光光度计中常用的光源有热辐射光源和分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。气体放电光源两类。热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤钨灯钨灯 53第53页，本讲稿共111页气体放电光源用于紫外光区，如氢灯气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。钨灯和碘钨灯可使用的范围在和氘灯。钨灯和碘钨灯可使用的范围在340 2500nm。这类光源的辐射能量与。这类光源的辐射能量与施加的外加电压有关，在可见光区，辐射施加的外加电压有关，在可见光区，辐射的能量与工作电压的能量与工作电压4次方成正比。光电流次方成正比。光电流与灯丝电压的与灯丝电压的n次方（次方（n 1）成正比。因）成正比。因此必须严格控制灯丝电压，仪器必须配有此必须严格控制灯丝电压，仪器必须配有稳压装置。稳压装置。54第54页，本讲稿共111页在近紫外区测定时常用在近紫外区测定时常用氢灯和氘灯氢灯和氘灯。它们。它们可在可在160 375 nm范围内产生连续光源。范围内产生连续光源。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，它是紫氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，它是紫外光区应用最广泛的一种光源，其光谱分外光区应用最广泛的一种光源，其光谱分布与氢灯类似，但光强度比相同功率的氢布与氢灯类似，但光强度比相同功率的氢灯要大灯要大35倍。倍。55第55页，本讲稿共111页钨丝灯钨丝灯56第56页，本讲稿共111页多数吸收仪器中钨丝的工作温度在多数吸收仪器中钨丝的工作温度在3000 K左右，因此其发射能量的主要波长在红左右，因此其发射能量的主要波长在红外区。钨丝灯可用于外区。钨丝灯可用于3202500 nm之间之间的波长区域。的波长区域。钨丝灯在可见区的能量输出大约随工作钨丝灯在可见区的能量输出大约随工作电压的四次方而变化，为保持光源稳定，电压的四次方而变化，为保持光源稳定，灯电源应加灯电源应加稳压装置稳压装置。57第57页，本讲稿共111页氢灯（气体放电光源）氢灯（气体放电光源）氢气在低压放电时，形成激发分子，此分子随后氢气在低压放电时，形成激发分子，此分子随后就离解产生两个氢原子和一个紫外辐射光子，由于就离解产生两个氢原子和一个紫外辐射光子，由于离解的氢原子具有不同的动能，所以它们放出光子离解的氢原子具有不同的动能，所以它们放出光子的能量在一连续的区域内，波长在的能量在一连续的区域内，波长在160400nm之间。之间。氢灯实际发射光的波长与灯泡及窗口材料有关，石英氢灯实际发射光的波长与灯泡及窗口材料有关，石英吸收波长小于吸收波长小于200nm的紫外光，而波长大于的紫外光，而波长大于375nm时，时，光的能量太低，所以一般氢灯的使用波长区域为光的能量太低，所以一般氢灯的使用波长区域为200375nm。58第58页，本讲稿共111页 2滤光器及单色器滤光器及单色器 在比色计中，一般用滤光器来获得一定波在比色计中，一般用滤光器来获得一定波长的光辐射，在分光光度计中，则采用棱长的光辐射，在分光光度计中，则采用棱镜或光栅构成的单色器来获得纯度较高的镜或光栅构成的单色器来获得纯度较高的单色光。单色光。选择波长可使吸光度符合比尔定律，同时选择波长可使吸光度符合比尔定律，同时可提高测定的灵敏度、选择性可提高测定的灵敏度、选择性59第59页，本讲稿共111页滤光器滤光器作用作用吸收滤光器是通过吸收光谱的某些部吸收滤光器是通过吸收光谱的某些部分滤去不需要的波长以获得一定波长范围分滤去不需要的波长以获得一定波长范围的辐射。的辐射。在比色计中应用。在比色计中应用。有色玻璃有色玻璃、滤光片、滤光片 60第60页，本讲稿共111页滤光片的透光曲线和半宽度滤光片的透光曲线和半宽度 图示为蓝色滤光片，最大图示为蓝色滤光片，最大透过光的波长为透过光的波长为470nm，半宽，半宽度为度为60nm.光谱半宽度愈小，透过的光谱半宽度愈小，透过的单色光就愈纯。单色光就愈纯。61第61页，本讲稿共111页测定时，滤光片透光率最大的光，应是测定时，滤光片透光率最大的光，应是待测有色溶液吸收最大的光。待测有色溶液吸收最大的光。滤光片的颜色应与待测试液的颜色互为滤光片的颜色应与待测试液的颜色互为补色。补色。62第62页，本讲稿共111页单色器单色器 定义定义一种能将辐射分解成它的各成分波长，一种能将辐射分解成它的各成分波长，并能从中分出任一所需部分的仪器部件。并能从中分出任一所需部分的仪器部件。单色器都含有狭缝和透镜系统，并有一个棱单色器都含有狭缝和透镜系统，并有一个棱镜或光栅色散元件。镜或光栅色散元件。63第63页，本讲稿共111页 单色器主要功能：产生光谱纯度高的波长且波长在单色器主要功能：产生光谱纯度高的波长且波长在紫外可见区域内任意可调。紫外可见区域内任意可调。单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。缝等几部分组成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。单色器其核心部分是色散元件，起分光的作用。单色器的性能直接影响入射光的单色性，从而也影响到测定的性能直接影响入射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度度、选择性及校准曲线的线性关系等。的灵敏度度、选择性及校准曲线的线性关系等。64第64页，本讲稿共111页(1)棱镜的色散Link65第65页，本讲稿共111页棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理是依据棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理是依据不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜长的光分开。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于只能用于350 3200 nm的波长范围，即只能用于可的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从见光域内。石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从185 4000 nm，即可用于紫外、可见和近红外三，即可用于紫外、可见和近红外三 个光域。个光域。66第66页，本讲稿共111页折射率随频率改变的效应称为色散折射率随频率改变的效应称为色散67第67页，本讲稿共111页棱镜的角色散率棱镜的角色散率式中：式中：d /dn表示作为棱镜材料折射率函数表示作为棱镜材料折射率函数的的 的变化；的变化；dn/d 则表示折射率随波长的变化。则表示折射率随波长的变化。(3-4)68第68页，本讲稿共111页d /dn的大小决定于棱镜的几何形状和的大小决定于棱镜的几何形状和入射角入射角I，当入射角使辐射通过棱镜的走，当入射角使辐射通过棱镜的走向几乎平行于棱镜底边时，向几乎平行于棱镜底边时，d /dn就只就只取决于棱镜顶角取决于棱镜顶角，并随，并随增大而增大。增大而增大。一般说，一般说，的上限约为的上限约为60。dn/d 称为棱镜材料的色散率。称为棱镜材料的色散率。69第69页，本讲稿共111页科希提出材料的折射率与波长关系的经验公科希提出材料的折射率与波长关系的经验公式式式中式中A、B和和C是由材抖的特性决定的常数。当是由材抖的特性决定的常数。当波长间隔不太大时，取这个公式的前两项就波长间隔不太大时，取这个公式的前两项就够了。够了。70第70页，本讲稿共111页将上式微分，得到将上式微分，得到A、B都是正值，则波长增大时，折射都是正值，则波长增大时，折射率和色散率都减小。率和色散率都减小。71第71页，本讲稿共111页图图3-14为典型的玻璃和石英棱镜单色器的色散图为典型的玻璃和石英棱镜单色器的色散图Link 3-1472第72页，本讲稿共111页注意：注意：棱镜单色器色散具有非线性的特征棱镜单色器色散具有非线性的特征玻璃和石英对于紫外辐射都有较大的色散率，而对可玻璃和石英对于紫外辐射都有较大的色散率，而对可见辐射具有较小的色散率，其中较好的是玻璃，因此见辐射具有较小的色散率，其中较好的是玻璃，因此可见分光光度计都使用玻璃棱镜，但可见分光光度计都使用玻璃棱镜，但玻璃对于紫外玻璃对于紫外辐射有显著的吸收辐射有显著的吸收，所以紫外，所以紫外-可见分光光度计采可见分光光度计采用用石英棱镜作为整个光谱区的色散元件石英棱镜作为整个光谱区的色散元件。73第73页，本讲稿共111页（2）光栅的色散）光栅的色散分为透射光栅和反射光栅（用的较多）分为透射光栅和反射光栅（用的较多）74第74页，本讲稿共111页 光栅是利用光的衍射与干涉作用制成光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的，它可用于紫外、可见及红外光域，的，它可用于紫外、可见及红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。它具有色散波长范匀一致的分辨能力。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点。和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。75第75页，本讲稿共111页由狭缝来的辐射在各未刻部分发生反射，由狭缝来的辐射在各未刻部分发生反射，各反射光束之间的干涉则引起色散，因各反射光束之间的干涉则引起色散，因此光束此光束1与光束与光束2的光路之差为（的光路之差为（AB CD），要发生干涉，必须），要发生干涉，必须m(AB CD)AB=dsini 式中式中d是刻线间的距离，称为光栅常数；是刻线间的距离，称为光栅常数；i是入射光与法线间的夹角。是入射光与法线间的夹角。76第76页，本讲稿共111页CD-d sin 式中式中 是衍射角，负号则表示入射光和是衍射角，负号则表示入射光和反射光在法线异侧，如果二者在法线同侧，反射光在法线异侧，如果二者在法线同侧，则取正号。则取正号。因此发生干涉的条件是因此发生干涉的条件是 md（sinisin）(3-6)77第77页，本讲稿共111页m是谱线的级数，该式说明对于某一给定是谱线的级数，该式说明对于某一给定的衍射角的衍射角，存在不同的，存在不同的值，例如在值，例如在 处处出现有出现有800nm的一级谱线（的一级谱线（m1），则），则二级（二级（400nm）和三级（）和三级（267nm）谱线也）谱线也在这个角度出现，造成了不同级次光谱的在这个角度出现，造成了不同级次光谱的重叠。重叠。78第78页，本讲稿共111页光栅的角色散率光栅的角色散率光栅的角色散率可在保持光栅的角色散率可在保持i不变的情形下，不变的情形下，将式（将式（3-6）对波长微分求得，即对任一给）对波长微分求得，即对任一给定的入射角定的入射角 光栅常数愈小，角色散率愈大，即在单位长光栅常数愈小，角色散率愈大，即在单位长度内刻线数目愈多，角色散率愈大。度内刻线数目愈多，角色散率愈大。79第79页，本讲稿共111页在不同的光谱级次内角色散率也不相同，高级次的光在不同的光谱级次内角色散率也不相同，高级次的光谱有较大的角色散率。在短波长范围内，谱有较大的角色散率。在短波长范围内，cos 并不明并不明显的随波长而变，因此，显的随波长而变，因此，光栅的色散几乎是线性光栅的色散几乎是线性分布的，分布的，这一点与棱镜的色散不同，图这一点与棱镜的色散不同，图3-14就是在就是在这方面对光栅单色器和棱镜单色器所作的比较。这方面对光栅单色器和棱镜单色器所作的比较。光栅可使用的光栅可使用的波长范围很宽波长范围很宽，从几个纳米到几百个微，从几个纳米到几百个微米，这也是比棱镜单色器优越的地方。米，这也是比棱镜单色器优越的地方。80第80页，本讲稿共111页简单的光栅单色器简单的光栅单色器 由入射狭缝来的辐由入射狭缝来的辐射，被一凹面镜准直，射，被一凹面镜准直，同时使衍射辐射聚焦在同时使衍射辐射聚焦在出射狭缝上，旋转光栅出射狭缝上，旋转光栅可使所需波长从单色器可使所需波长从单色器中引出。中引出。81第81页，本讲稿共111页（3）单色器的有效带宽）单色器的有效带宽单色器的狭缝对单色器质量有重要作用，一般说，入射单色器的狭缝对单色器质量有重要作用，一般说，入射狭缝和出射狭缝的大小相同，当单色器正好调节到相应狭缝和出射狭缝的大小相同，当单色器正好调节到相应辐射波长的位置上时，入射狭缝的像将恰好充满整个出辐射波长的位置上时，入射狭缝的像将恰好充满整个出射狭缝的宽度。射狭缝的宽度。单色器从照明入射狭缝的具有各种波长的辐射中分出单色器从照明入射狭缝的具有各种波长的辐射中分出单色辐射的能力，常用光谱带宽来量度。单色辐射的能力，常用光谱带宽来量度。82第82页，本讲稿共111页光谱带宽定义为入射狭光谱带宽定义为入射狭缝的像从出射狭缝的一缝的像从出射狭缝的一边移向另一边时所对应边移向另一边时所对应的波长间隔的波长间隔 光谱带宽的大小随光谱带宽的大小随狭缝狭缝宽度宽度的改变而变化。的改变而变化。有效带宽有效带宽仪器透过仪器透过的波长范围的一半的波长范围的一半 83第83页，本讲稿共111页单色器的有效带宽与光栅及棱镜的色散及入射狭缝单色器的有效带宽与光栅及棱镜的色散及入射狭缝和出射狭缝的宽度有关。和出射狭缝的宽度有关。单色器通常采用可变狭缝，所以有效带宽可以调单色器通常采用可变狭缝，所以有效带宽可以调节。节。在定性分析中需要分析比较窄的吸收带，应采用尽在定性分析中需要分析比较窄的吸收带，应采用尽量小的狭缝宽度，有助于分开波长相近的光谱线，量小的狭缝宽度，有助于分开波长相近的光谱线，减少或消除光谱重叠引起的干扰。减少或消除光谱重叠引起的干扰。在定量分析中，可用较宽的狭缝，使光束有足在定量分析中，可用较宽的狭缝，使光束有足够的强度以供测量。够的强度以供测量。84第84页，本讲稿共111页3.试样容器试样容器 盛放试样的吸收池必须用所需光谱区辐射盛放试样的吸收池必须用所需光谱区辐射的材料制成。的材料制成。吸收池的窗面应严格垂直于光束方向。吸收池的窗面应严格垂直于光束方向。采用采用光程长度和透明性光程长度和透明性都相同的吸收池，都相同的吸收池，能正确比较透过溶剂和试液的辐射强度。能正确比较透过溶剂和试液的辐射强度。85第85页，本讲稿共111页4辐射检测器辐射检测器 检测器的功能是检测信号、测量单色光透检测器的功能是检测信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。过溶液后光强度变化的一种装置。紫外及可见区用的检测器主要有光电池、紫外及可见区用的检测器主要有光电池、光电管和光电倍增管。光电管和光电倍增管。86第86页，本讲稿共111页对检测器的要求对检测器的要求响应一个很大波长范围内的辐射能响应一个很大波长范围内的辐射能；对弱的辐射也应有足够的灵敏度对弱的辐射也应有足够的灵敏度；能快速回答一个容易放大而噪声低的能快速回答一个容易放大而噪声低的电信号；电信号；产生的电信号应正比于投射到检测器上的光束强度，产生的电信号应正比于投射到检测器上的光束强度，且有宽的线性范围。且有宽的线性范围。这是定量的基础这是定量的基础87第87页，本讲稿共111页（1）光电池）光电池硒光电池，它对于硒光电池，它对于550nm左右的绿色光有左右的绿色光有最大灵敏值，而且在最大灵敏值，而且在250nm和和750nm处其处其响应减少至最大值的响应减少至最大值的10%。主要用于可见辐射的检出主要用于可见辐射的检出88第88页，本讲稿共111页结构结构硒光电池是由三层硒光电池是由三层物质构成的薄片，它物质构成的薄片，它的表层是极薄透明的的表层是极薄透明的金或银膜，中层是具金或银膜，中层是具有光电效应的半导体有光电效应的半导体材料硒，底层是铁或材料硒，底层是铁或铝片。铝片。89第89页，本讲稿共111页作用原理作用原理当辐射作用于光电池表面上时，就有电子从半当辐射作用于光电池表面上时，就有电子从半导体硒的表面逸出，由于硒的半导体性质，电子只能导体硒的表面逸出，由于硒的半导体性质，电子只能单方向流动，即向金属膜流动，而使金属膜带负电，单方向流动，即向金属膜流动，而使金属膜带负电，成为光电池的负极，硒层失去电子后带正电，使底层成为光电池的负极，硒层失去电子后带正电，使底层金属片带正电，成为光电池的正极，因而光电池受光金属片带正电，成为光电池的正极，因而光电池受光照射时自己产生电动势，而不需外加电压，