第九章 光谱分析法概论优秀课件.ppt

第九章 光谱分析法概论第1页，本讲稿共37页 光学分析法（optical analysisoptical analysis）：）：是基于电磁辐射与物质相互作用后产生的辐是基于电磁辐射与物质相互作用后产生的辐射信号或发生的变化来测定物质的性质、含量和射信号或发生的变化来测定物质的性质、含量和结构的一类仪器分析方法。结构的一类仪器分析方法。光谱分析法光谱分析法光学分析法光学分析法 非光谱分析法非光谱分析法 第2页，本讲稿共37页 光谱分析法光谱分析法:是指在光（或其它能量）的是指在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。或散射光的波长和强度来进行分析的方法。第3页，本讲稿共37页第一节电磁辐射及其与物质的相互作用一、电磁辐射一、电磁辐射 什么是电磁辐射 什么是电磁辐射?电磁辐射包括：电磁辐射包括：无线电波、微波、红外光、可见 无线电波、微波、红外光、可见-紫外光以 紫外光以及及XX射线和射线和 射线。射线。第4页，本讲稿共37页电磁辐射的性质：波粒二象性电磁辐射的性质：波粒二象性 波动性：波动性：波长 波长、频率、频率、光速、光速cc、波数、波数(cm(cm-1-1)来描述 来描述.=c=c/=1/=1/=/cc粒子性：粒子性：E=hE=h=hc=hc/=hchcPlanck Planck常数 常数：h h=6.626=6.626 10 10-34-34 J.J.SS 光速：光速：c=2.99792510c=2.9979251010 10cm/scm/s第5页，本讲稿共37页波长越小、频率越大，能量越大。波长越小、频率越大，能量越大。单色光：单色光：单波长的光（由具有相同能量的光子组成）单波长的光（由具有相同能量的光子组成）能量常用单位：能量常用单位：eV erg JeV erg J能量换算关系：能量换算关系：第6页，本讲稿共37页二、电磁波谱二、电磁波谱-射线 射线 无线电波在性质上完全相同，区别仅在于波长或频率 无线电波在性质上完全相同，区别仅在于波长或频率不同。不同。电磁波谱：电磁波谱：将各种电磁波按照波长或频率的大小的顺序排列，所 将各种电磁波按照波长或频率的大小的顺序排列，所画成的图表。画成的图表。电磁波谱分区示意表 电磁波谱分区示意表辐射区段 辐射区段 X X射线 射线 紫外 紫外 可见光 可见光 中红外 中红外 微波 微波 无线电波 无线电波波长范围 波长范围 0.01 0.01 10 nm 200 10 nm 200 400nm 400 400nm 400 760nm 2.5 760nm 2.5 50m 3mm 50m 3mm 30cm 60cm 30cm 60cm 300m 300m 跃迁类型 跃迁类型 内层电子 内层电子 外层价电子 外层价电子 振转能级 振转能级 分子转动能级 分子转动能级 核自旋能级 核自旋能级光谱类型 光谱类型 电子光谱 电子光谱 分子光谱 分子光谱 核磁共振光谱 核磁共振光谱波 波 长 长 小 小 大 大频 频 率 率 大 大 小 小第7页，本讲稿共37页三、电磁辐射与物质的相互作用 1.1.吸收吸收 样品 I 2 1 光吸收示意图2 21 10 0I I0 0第8页，本讲稿共37页三、电磁辐射与物质的相互作用2.2.发射发射 火焰或电弧 火焰或电弧 样品 样品火焰、电弧激发的发射光谱示意图样品 样品2 21 1 0 0 2 2 1 1 21 21 2 2光致发光示意图 光致发光示意图 2 2 1 1 21 21I I0 0I I第9页，本讲稿共37页三、电磁辐射与物质的相互作用3.3.散射散射 Rayleigh Rayleigh散射 散射 弹性碰撞 弹性碰撞 无能量交换，光的频率不变 无能量交换，光的频率不变散射 散射 运动方向改变 运动方向改变 Raman Raman散射 散射 非弹性碰撞 非弹性碰撞 Stokes Stokes线 线 散 散 入 入 有能量交换 有能量交换,光的频率改变 光的频率改变 运动方向改变 运动方向改变 反 反Stokes Stokes线 线 散 散 入 入 散射光强 散射光强 I I 1/1/散散-入入 为拉曼位移，与分子的振动频率有关为拉曼位移，与分子的振动频率有关。第10页，本讲稿共37页三、电磁辐射与物质的相互作用4.4.折射和反射折射和反射 反射反射：当光从介质：当光从介质11照射到与介质照射到与介质22时，一部分时，一部分光在界面上改变方向返回介质光在界面上改变方向返回介质11的现象。的现象。折射折射：当光从介质：当光从介质1 1照射到与介质 照射到与介质2 2时，一部分光在界 时，一部分光在界面上改变方向，以一定的折射角度进入介质 面上改变方向，以一定的折射角度进入介质2 2的现象。的现象。第11页，本讲稿共37页三、电磁辐射与物质的相互作用5.5.干涉和衍射干涉和衍射 干涉干涉：在一定条件下光波会相互作用，当其叠加时，产：在一定条件下光波会相互作用，当其叠加时，产生一个其强度视各波的相位而定的加强或减弱的合成波。生一个其强度视各波的相位而定的加强或减弱的合成波。当两个波长的相位差 当两个波长的相位差180 180时，发生最大相消干涉。当两个 时，发生最大相消干涉。当两个波同相位，发生最大相长干涉。波同相位，发生最大相长干涉。衍射 衍射：光波绕过障碍物或通过狭缝时，以约：光波绕过障碍物或通过狭缝时，以约180 180的角度 的角度向外辐射，波前进的方向发生弯曲的现象。向外辐射，波前进的方向发生弯曲的现象。第12页，本讲稿共37页第二节第二节 光学分析法的分类光学分析法的分类 1.1.按物质与辐射能的转换方向 按物质与辐射能的转换方向 吸收光谱法 吸收光谱法 光学分析法 光学分析法 发射光谱法 发射光谱法 吸收光谱法：吸收光谱法：根据吸收光谱原理建立的分析方法。根据吸收光谱原理建立的分析方法。对吸收光谱的研究可以确定试样的组成、含量以及结 对吸收光谱的研究可以确定试样的组成、含量以及结构。构。吸收光谱：吸收光谱：在吸收的过程中，若将测得的吸收强度对入 在吸收的过程中，若将测得的吸收强度对入射光的波长或波数作图，该图为物质的吸收光谱（吸收 射光的波长或波数作图，该图为物质的吸收光谱（吸收曲线）。曲线）。第13页，本讲稿共37页物质对光的选择性吸收及吸收曲线物质对光的选择性吸收及吸收曲线 E E=E E2 2-E E1 1=h h：量子化：量子化；吸收曲线的绘制 吸收曲线的绘制:用不同波长的单色光照射，测吸光度 用不同波长的单色光照射，测吸光度光的互补：蓝 黄第14页，本讲稿共37页吸收曲线的讨论：同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长max不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似max不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和max不同。第15页，本讲稿共37页第16页，本讲稿共37页吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。定性分析的依据之一。不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度度 AA 有差异，在有差异，在max max处吸光度处吸光度AA 的差异最大。此的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。特性可作为物质定量分析的依据。在在max max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光 以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。波长的重要依据。第17页，本讲稿共37页 发射光谱：发射光谱：是指构成物质的原子、离子或分子 是指构成物质的原子、离子或分子受到辐射能、热能、电能或化学能的激发跃迁到受到辐射能、热能、电能或化学能的激发跃迁到激发态后，又从激发态以电磁辐射的方式释放出激发态后，又从激发态以电磁辐射的方式释放出能量并回到基态时，产生的光谱。能量并回到基态时，产生的光谱。发射光谱法：发射光谱法：根据发射光谱原理建立的分析方根据发射光谱原理建立的分析方法。对发射光谱的研究可以确定试样的组成、含法。对发射光谱的研究可以确定试样的组成、含量以及结构。量以及结构。第18页，本讲稿共37页 带状光谱 带状光谱 发射光谱 发射光谱 连续光谱连续光谱 线状光谱：是由气态原子或离子外层或内层电子能级跃 线状光谱：是由气态原子或离子外层或内层电子能级跃迁产生的光谱。迁产生的光谱。带状光谱：是由分子被激发后而发射的光谱。带状光谱：是由分子被激发后而发射的光谱。连续光谱：是由炽热的固体或液体所发射的光谱。连续光谱：是由炽热的固体或液体所发射的光谱。第19页，本讲稿共37页2.按被作用粒子种类 原子光谱 原子光谱(molecular spectroscopy)(molecular spectroscopy)光学分析法 光学分析法 分子光谱 分子光谱(atomic spectroscopy)(atomic spectroscopy)原子光谱法：原子光谱法：是以测量气态原子或离子外层是以测量气态原子或离子外层或内层电子能级跃迁产生的原子光谱为基础的成或内层电子能级跃迁产生的原子光谱为基础的成分分析方法。分分析方法。特点：特点：原子光谱是线状光谱；原子光谱是线状光谱；线状光谱只反映原子、离子的性质，与原线状光谱只反映原子、离子的性质，与原子或离子来源无关。子或离子来源无关。可测定元素组成和含量 可测定元素组成和含量第20页，本讲稿共37页 分子光谱：分子光谱：是由分子中电子能级、振动和转动能级的变是由分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生的光谱。化产生的光谱。分子的总能量：分子的总能量：EE总总=EE内能内能+EE平动能平动能+EE电子 电子+EE振动 振动+EE转动转动物质分子内部三种运动形式：物质分子内部三种运动形式：1.1.电子相对于原子核的运动，电子相对于原子核的运动，2.2.原子核在其平衡位置附近的相对振动原子核在其平衡位置附近的相对振动,3.3.分子本身绕其重心的转动。分子本身绕其重心的转动。第21页，本讲稿共37页 分子具有三种不同能级：电子能级、振动分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级。能级和转动能级。三种能级都是量子化的，且各自具有相应三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。的能量。当分子吸收外界辐射后，总能量变化：当分子吸收外界辐射后，总能量变化：e+e+v+v+rr三类能量的大小为：三类能量的大小为：eevvr r第22页，本讲稿共37页能级跃迁 电子能级间跃迁的 电子能级间跃迁的 同时，总伴随有振动 同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含 即电子光谱中总包含有振动能级和转动能 有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干 级间跃迁产生的若干谱线而呈现带状光谱。谱线而呈现带状光谱。第23页，本讲稿共37页讨论：（11）转动能级间的能量差）转动能级间的能量差rr：0.0050.0050.050eV0.050eV，跃迁产，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱谱（2 2）振动能级的能量差）振动能级的能量差vv约为：约为：0.050.05eVeV，跃迁产生跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱第24页，本讲稿共37页讨论：（33）电子能级的能量差）电子能级的能量差ee较大较大1 1 20eV 20eV。电子跃迁产。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外生的吸收光谱在紫外可见光区，紫外可见光区，紫外可见光谱可见光谱或分子的电子光谱。或分子的电子光谱。（44）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。定性的依据。第25页，本讲稿共37页讨论：（55）吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率）吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数波长处测得的摩尔吸光系数maxmax也作为定性的依据。也作为定性的依据。不同物质的不同物质的maxmax有时可能相同，但有时可能相同，但 max max不一定相同；不一定相同；（66）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。比，定量分析的依据。第26页，本讲稿共37页分子光谱的特点：分子光谱的特点：带状光谱 带状光谱 价电子 价电子 分子的运动形式 分子的运动形式 原子间的振动 原子间的振动 分子的转动 分子的转动 Ee Ee 1250 1250 60nm 60nm 紫外 紫外-可见光 可见光 v v 2500 2500 1250nm 1250nm 红外光 红外光 r r 250 250 25 25 m m 远红外光、微波 远红外光、微波 分子光谱为什么是带状光谱 分子光谱为什么是带状光谱？22.可否获得纯粹的振动、电子光谱？可否获得纯粹的振动、电子光谱？第27页，本讲稿共37页3.按使用与不使用波长特征信号 非光谱法非光谱法光学分析法 光学分析法 吸收光谱法 吸收光谱法 光谱法光谱法 发射光谱法发射光谱法 散射光谱法散射光谱法 第28页，本讲稿共37页第三节 光谱分析仪器其中三个最基本的组成部分是：其中三个最基本的组成部分是：一、辐射源一、辐射源(sourcesource)二、单色器二、单色器(monochromatormonochromator)三、辐射检测器三、辐射检测器(detector detector)第29页，本讲稿共37页第30页，本讲稿共37页第31页，本讲稿共37页第32页，本讲稿共37页第33页，本讲稿共37页第34页，本讲稿共37页第35页，本讲稿共37页平面光栅的分光作用第36页，本讲稿共37页问题：问题：1.1.紫外、可见、红外光源各是什么？紫外、可见、红外光源各是什么？2.2.原子吸收光谱分析法中用何种光源？原子吸收光谱分析法中用何种光源？3.3.光学分析仪器的基本构成单元及其作用是什么？光学分析仪器的基本构成单元及其作用是什么？第37页，本讲稿共37页