光学分析法导论全.ppt

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1、现在学习的是第1页，共42页 光学分析法：基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法； 电磁辐射范围：射线无线电波所有范围； 相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等； 光学分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可取代的地位；2现在学习的是第2页，共42页l电磁辐射电磁辐射 以巨大速度通过空间，不需要以巨大速度通过空间，不需要以任何物质作为传播媒介的一种能量形以任何物质作为传播媒介的一种能量形式式 波动性波动性 粒子性粒子性3现在学习的是第3页，共42页l1.1.波长波长相邻两个波峰或波谷间的距离。 单位：

2、m cm mm m nm pm 10-6 10-9 10-10 10-12 (m)l2.2.频率频率 单位时间内振动的次数。 单位：赫兹 Hz 次秒 周期 T =1/T S-14现在学习的是第4页，共42页l3 3波数波数单位长度内波的数目。 单位：Cm-1 =1/ l4 4传播速度传播速度V V，C = 2.997525 108 ms-1 =C/ =1/=/C5现在学习的是第5页，共42页l = h = hc/= hc爱因斯坦-普朗克公式h =6.6310-34 JS普朗克常数 能量单位：焦耳、电子伏特（e）l 1 e =1.60210-19 Jl电子伏特（e）-一个电子在真空中通过1伏电压

3、降所获得的能量6现在学习的是第6页，共42页波谱区 波长nm 波数cm-1 跃迁能级类 型 波谱分析法 射线10-410-3射线光谱法穆斯堡尔光谱法X射线10-310X射线光谱法光学光谱区远紫外近紫外可见近红外0.752.5m1.31044103 红外吸收 、拉曼光谱法 中红外2.550m10-210-5 红外吸收 、拉曼光谱法 远红外501000m20010 微 波0.1100cm100.01微波波谱顺磁共振 射频（无线电区） 4000200 核磁共振波谱 核能级内层电子能级10200200400400750原子和分子外层电子 能级跃迁 紫外、可见吸收原子发射、吸收原子、分子荧光 分子振动分

4、子振动分子转动分子转动电子自旋磁能级 核自旋磁能级7现在学习的是第7页，共42页2-3-12-3-1非光谱法非光谱法2-3-2 2-3-2 光谱法光谱法l按辐射本质分类按辐射本质分类 1.原子光谱 2.分子光谱l按辐射获得方式的不同分类按辐射获得方式的不同分类 1.发射光谱 2.吸收光谱 3.拉曼光谱8现在学习的是第8页，共42页光学分析法光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁共振波谱法折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法比浊法9现在学习的是第9页，共42页l原子（或离子）的外

5、层电子在不同原子（或离子）的外层电子在不同能级之间的跃迁而产生的光谱。能级之间的跃迁而产生的光谱。l 原子光谱大多分布在紫外可见区。 l Ej、Ei不连续，E、也不连续，故原子光谱具有线光谱的特征。10现在学习的是第10页，共42页l分子的外层电子在不同能级之间的跃迁而产生的光谱。分子的外层电子在不同能级之间的跃迁而产生的光谱。分子总能量分子总能量 E E分子分子=E=E电电+E+E振振+E+E转转 （ P 91)P 91)l E E分子分子= = E E电电+ + E E振振+ + E E转转 E E电电分子中外层电子能级跃迁引起的分子中外层电子能级跃迁引起的 能量改变能量改变 1-20ev

6、1-20ev E E振振分子中原子（或原子团）在平衡分子中原子（或原子团）在平衡 位置上作相对振动引起的能量改变位置上作相对振动引起的能量改变 0.05-1ev0.05-1ev E E转转整个分子绕其轴旋转产生的能量改变整个分子绕其轴旋转产生的能量改变 1010-4-4-0.05 ev-0.05 ev11现在学习的是第11页，共42页l 分子光谱：分子光谱：l电子光谱电子光谱E电电、E振振、E转转改变改变, 紫外紫外-可见区可见区 带光谱带光谱l振动光谱振动光谱E振振、E转转改变改变, 近、中红外区近、中红外区l转动光谱转动光谱E转转改变改变, 远红外、微波区远红外、微波区l 分子的电子光谱是

7、由许多分子的电子光谱是由许多线光谱线光谱聚集在一起的聚集在一起的带光谱带光谱组成的。组成的。12现在学习的是第12页，共42页13现在学习的是第13页，共42页l1.1.发射光谱发射光谱l 物质的原子、离子或分子受到物质的原子、离子或分子受到热能、热能、电能、化学能电能、化学能激发由低能态或基态激发由低能态或基态跃迁到高能态跃迁到高能态, , 退激时以光辐射释退激时以光辐射释放能量形成的光谱。放能量形成的光谱。l不同物质的电子能级各不相同，因此不同物质的电子能级各不相同，因此光辐射释放的能量也各不相同，波长光辐射释放的能量也各不相同，波长也不同。也不同。定性依据。定性依据。（见表（见表2-22

8、-2）（按辐射获得方式分）14现在学习的是第14页，共42页l（1 1） 线光谱线光谱气体状态下原子或离子受激发生，具有不连气体状态下原子或离子受激发生，具有不连续的明亮线条。续的明亮线条。l（2 2） 带光谱带光谱气体分子受激产生，由数个光带气体分子受激产生，由数个光带 和暗区相间组成。和暗区相间组成。 如如 2 C + N2 C + N2 2 = 2 CN = 2 CN 氰带氰带l（3 3） 连续光谱连续光谱液态或固态物质受高温后激发产生。连液态或固态物质受高温后激发产生。连续不断，无明晰线条。续不断，无明晰线条。 如如 钢水、电极头、灯泡发光钢水、电极头、灯泡发光等。等。 15现在学习的

9、是第15页，共42页16现在学习的是第16页，共42页 辐射通过气态、液态或透明的辐射通过气态、液态或透明的固态物质时，物质的原子、离子或固态物质时，物质的原子、离子或分子将吸收与其内能变化相对应的分子将吸收与其内能变化相对应的频率而由低能态或基态过渡到较高频率而由低能态或基态过渡到较高能态。能态。 这种由于物质对于辐射的选择这种由于物质对于辐射的选择性吸收而得到的光谱称为吸收光谱性吸收而得到的光谱称为吸收光谱。（见表2-3）17现在学习的是第17页，共42页l原子吸收光谱原子吸收光谱 暗线光谱暗线光谱 峰窄峰窄 0.x nm0.x nml分子吸收光谱分子吸收光谱： 紫外紫外- -可见区可见区

10、电子吸收光谱，溶液中宽带电子吸收光谱，溶液中宽带 吸收吸收 x xx x10nm10nm 红外区红外区 振动吸收光谱振动吸收光谱 远红外、微波区远红外、微波区气态分子转动吸收光谱气态分子转动吸收光谱 18现在学习的是第18页，共42页l以单色光照射在物质上，物质分子发生以单色光照射在物质上，物质分子发生散射散射，出现与，出现与入射光入射光频率不同频率不同、方向不同的方向不同的散射光散射光形成的光谱。形成的光谱。l散射散射丁铎尔散射分子散射瑞利散射-拉曼散射-光通过含有大质点的介质时 发生的散射。散=入，和胶体粒子大小形状的测定。用于高聚物分子散入，用于研究分子结构，作为红外光谱的补充。19现在

11、学习的是第19页，共42页l 物质吸收辐射跃迁到激物质吸收辐射跃迁到激发态后，发态后， 又以辐射跃迁的又以辐射跃迁的形式发射出相应的能量，形式发射出相应的能量，而本身又回到基态。而本身又回到基态。 l原子荧光原子荧光l分子荧光分子荧光 20现在学习的是第20页，共42页荧 激 StoksF2荧 激 反 Stoks21现在学习的是第21页，共42页荧 激 Stoks硫酸奎宁的荧光光谱和吸收光谱22现在学习的是第22页，共42页l基本结构五大部分：基本结构五大部分：l1 1、光源；、光源；l2 2、单色器；、单色器；l3 3、样品池；、样品池；l4 4、检测器；、检测器；l5 5、信号显示和记录。

12、、信号显示和记录。P12 P12 图图2-22-223现在学习的是第23页，共42页24现在学习的是第24页，共42页l连续光源连续光源 紫外光源紫外光源 氢灯或氘灯（氢灯或氘灯（ 160160375nm375nm）可见光源可见光源 钨灯（钨灯（3403402500nm2500nm）红外光源红外光源 硅碳棒硅碳棒l线光源线光源空心阴极灯空心阴极灯金属蒸汽灯金属蒸汽灯激光激光25现在学习的是第25页，共42页l单色器的作用：单色器的作用：l作用：作用：将试样发出的复合光分解成按波长顺序排列的单色光。将试样发出的复合光分解成按波长顺序排列的单色光。 l分光元件：分光元件：棱镜或光栅棱镜或光栅26现

13、在学习的是第26页，共42页(1) (1) 棱镜的色散作用棱镜的色散作用 l科希公式：科希公式： 折射率折射率 n n=A+B/=A+B/2 2+C/+C/4 4A+B/A+B/2 2ln n和和有关，有关，越小，越小，n n越大。越大。ln n和材料有关。和材料有关。紫外区紫外区 石英、氟石石英、氟石 n n大；大；可见区可见区 玻璃玻璃 n n大；大；红外区红外区 岩盐岩盐 n n大。大。27现在学习的是第27页，共42页l角色散率角色散率 ddddl线色散率线色散率 dLddLd 波长差为波长差为dd的两条谱线在焦面上分的两条谱线在焦面上分开的距离，单位开的距离，单位mmmmnmnm。

14、和和、材料有关、材料有关，（棱镜，（棱镜- -非匀排光谱）。非匀排光谱）。l倒线色散率倒线色散率 ddL (nmddL (nmmm)mm)焦面上每焦面上每mmmm距离内距离内容纳的波长数。容纳的波长数。28现在学习的是第28页，共42页l理论分辨率理论分辨率R=R=刚好能分辨的两条谱线 的波长差刚好能分辨的两条谱线： 强度相等的两条谱线，一条谱线的衍射极大正好落在另一条谱线的衍射极小上。摄谱仪光学系统能正确分辨相邻两条谱线的能力。29现在学习的是第29页，共42页l光栅也称衍射光栅。光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散是利用多缝衍射原理使光发生色散( (分解分解为光谱为光谱) )的

15、光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝狭缝( (刻线刻线) )的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。每毫米几十至几千条。l平面光栅：平面光栅：l凹面光栅：凹面光栅：用于摄谱仪用于光电直读光谱仪透射光栅反射光栅30现在学习的是第30页，共42页l分光原理：分光原理： 单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，纹很细的图样，这些

16、锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出 现而形成光谱。现而形成光谱。光光栅分光是栅分光是单缝衍射单缝衍射和和多缝干涉多缝干涉的总结果。的总结果。 当光程差等于波长的整数倍时，两光束干涉加强，产生与主最大对应当光程差等于波长的整数倍时，两光束干涉加强，产生与主最大对应的亮条纹的亮条纹即谱线。此时应满足光栅方程：即谱线。此时应满足光栅方程： d d（sin+sinsin+sin）=K =K （K=0K=0，1 1，2 2，）d d相邻两狭缝或刻痕间距离，即光栅常数。相邻两狭缝或刻痕间距离，即光

17、栅常数。光线的入射角光线的入射角 光线的衍射角光线的衍射角 K K光谱级次光谱级次31现在学习的是第31页，共42页32现在学习的是第32页，共42页1.1.对于给定的对于给定的、d d、k, k, 不同则不同则不同不同光栅分光作用。光栅分光作用。 改变改变，可改变，可改变波段范围。波段范围。2. k=0 2. k=0 时，时，d d（sin-sinsin-sin）=0=0，任何，任何都满足光栅方程都满足光栅方程式式不分光的不分光的“0 0”级像。级像。3.3.当当K K1 1 1 1= K= K2 2 2 2= K= K3 3 3 3= =时，谱线重叠时，谱线重叠 解决方法：加滤光片，谱级分

18、离器。解决方法：加滤光片，谱级分离器。4.4.对于给定的对于给定的、d d、, k, k不同则不同则不同不同, ,即同一波长的光，即同一波长的光，光强度被分散。光强度被分散。 33现在学习的是第33页，共42页d/d=K /(dcos)n线色散率 dL/d= fd/d= Kf/(dcos) f 物镜焦距。很小，cos1 ,dL/d 与基本无关匀排光谱光栅的理论分辨率光栅的理论分辨率R=/= K NnN光栅总刻线数，nK光谱级次n角色散率（2）光栅的光学特性34现在学习的是第34页，共42页刻痕呈三角槽形，起狭缝作用的是和光栅平面成一定角度的相互平行的小反射面。i闪耀角B方向为光强最大的衍射方向

19、，与零级光谱0-不再重合。35现在学习的是第35页，共42页解决了平面光栅衍射图中解决了平面光栅衍射图中大部分光强都集大部分光强都集中在无色散作用的零级光谱的问题。中在无色散作用的零级光谱的问题。可以优化某波长范围内的光谱强度可以优化某波长范围内的光谱强度 应用到可见光、紫外光波段和软应用到可见光、紫外光波段和软X-X-光范围，光范围，36现在学习的是第36页，共42页l当当= =i= =i时，时，ld d（sinsinsinsin）=K=K K Kb b= 2d sini = 2d sini b b= 2d sin i/K = 2d sin i/K 闪耀波长闪耀波长闪耀光栅适用波长范围闪耀光

20、栅适用波长范围: :5 . 0k1b）（ b(1) K=1时的b37现在学习的是第37页，共42页l例：例：b(1) =560nm l K=1 560/1.5 560/0.5 373nm 1120nmlK=2 560/2.5 560/1.5 224nm 373nm闪耀光栅的能量分布38现在学习的是第38页，共42页l入射狭缝入射狭缝 虚光源作用虚光源作用l狭缝影响谱线的轮廓与强度的均匀性。狭缝影响谱线的轮廓与强度的均匀性。操作参数：光谱通带WD S（nm）D倒线色散率S出射狭缝宽度D一定时，狭缝越窄，邻近谱线越易分开，但谱线强度越小。39现在学习的是第39页，共42页（1 1）光电法）光电法l

21、感光板感光板l光电倍增管光电倍增管l图像检测器图像检测器（2 2）热检测器）热检测器l真空热电偶真空热电偶l热释电检测器热释电检测器40现在学习的是第40页，共42页l1.1.作用作用光信号光信号电信号并放大电信号并放大。l2. 2. 结构和作用原理结构和作用原理l放大系数放大系数 M = nM = nd d l n n打拿极打拿极- -受受1 1个电子撞击时平均发射电子数。个电子撞击时平均发射电子数。l d d打拿极个数。打拿极个数。 K-光敏阴极D-聚焦极D1D10-打拿极A-阳极 41现在学习的是第41页，共42页l电荷耦合器件电荷耦合器件CCD-CCD-新型固体多道光学检新型固体多道光学检测器件，是一种模拟集成电路芯片。测器件，是一种模拟集成电路芯片。l主要优点：主要优点：l同时多谱线检测，借助计算机快速处理同时多谱线检测，借助计算机快速处理光谱信息光谱信息-分析速度快：分析速度快：1min701min70种元素。种元素。l性能稳定、体积小、结实耐用、灵敏度性能稳定、体积小、结实耐用、灵敏度高高-性能超过光电倍增管。性能超过光电倍增管。42现在学习的是第42页，共42页