第2章光分析法导论精选文档.ppt
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1、第2章光分析法导论本讲稿第一页,共七十二页主要学习内容主要学习内容 1电磁辐射及电磁波谱的概念、电磁辐射及电磁波谱的概念、特性及相关物理量特性及相关物理量2物质与电磁辐射相互作用及物质与电磁辐射相互作用及相关的光谱学相关的光谱学3光学分析法的分类及特点光学分析法的分类及特点4光学分析法的基本仪器光学分析法的基本仪器本讲稿第二页,共七十二页学习目标学习目标 1牢固掌握电磁辐射和电磁波谱的牢固掌握电磁辐射和电磁波谱的概念及性质概念及性质2熟练掌握电磁辐射各种物理量之熟练掌握电磁辐射各种物理量之间的换算间的换算3清楚理解物质与电磁辐射相互作清楚理解物质与电磁辐射相互作用所产生的各种光谱用所产生的各种
2、光谱4清晰光学分析法分类的线索清晰光学分析法分类的线索5了解光谱法的基本仪器部件了解光谱法的基本仪器部件本讲稿第三页,共七十二页光学分析法是基于光学分析法是基于能量能量作用于物质后产生电磁作用于物质后产生电磁辐射信号或电磁辐射与物质相互作用后产生辐射信号或电磁辐射与物质相互作用后产生辐射信辐射信号的变化号的变化而建立起来的一类分析方法。而建立起来的一类分析方法。1电磁辐射包括从波长极短的电磁辐射包括从波长极短的射线到无线电射线到无线电波的所有电磁波谱范围,而不只局限于光学光谱波的所有电磁波谱范围,而不只局限于光学光谱区。区。2电磁辐射与物质的相互作用方式很多,有电磁辐射与物质的相互作用方式很多
3、,有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等等,各种相互作用的方式均可建立起对应偏振等等,各种相互作用的方式均可建立起对应的分析方法。的分析方法。本讲稿第四页,共七十二页2-1 2-1 电磁辐射的基本特征电磁辐射的基本特征 1 什么叫什么叫电磁波?电磁波?一种以巨大速度通过空间,不需要以任一种以巨大速度通过空间,不需要以任何物质作为传播媒介的何物质作为传播媒介的能量能量形式,称为形式,称为电磁电磁波波。电磁波的二重性电磁波的二重性 第第2章章 光学分析法导论光学分析法导论本讲稿第五页,共七十二页2.1电磁辐射及电磁波谱电磁辐射及电磁波谱一.电磁
4、辐射的波粒二象性1.1.电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性 电磁辐射为正弦波(波长、频率、电磁辐射为正弦波(波长、频率、速度、振幅)。与其它波(如声波)不同,电磁波不需传播速度、振幅)。与其它波(如声波)不同,电磁波不需传播介质,可在真空中传输。介质,可在真空中传输。本讲稿第六页,共七十二页2.1电磁辐射及电磁波谱电磁辐射及电磁波谱一.电磁辐射的波粒二象性1.1.1.1.电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性散射散射散射散射折射与反射折射与反射折射与反射折射与反射衍射衍射衍射衍射干涉干涉干涉干涉偏振偏振偏振偏振波波波波 长长长长 cmcm
5、、mm、nmnm、A A 频频频频 率率率率 Hz secHz sec-1-1波波波波 数数数数 cmcm-1-1 =1/传播速度传播速度传播速度传播速度 cm/sec cm/sec 真空传播速度真空传播速度c=(2.9979250.000001)1010cm/s应该注意:频率更能表征辐射的特征应该注意:频率更能表征辐射的特征频率频率只决定于辐射源,而与介质无关只决定于辐射源,而与介质无关波长波长与传播速度与传播速度V、介质(折射率介质(折射率 n=c/V)有关有关本讲稿第七页,共七十二页2.1电磁辐射及电磁波谱电磁辐射及电磁波谱一.电磁辐射的波粒二象性2.2.电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性
6、电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性光电效应光电效应光电效应光电效应 康普敦效应康普敦效应康普敦效应康普敦效应 黑体辐射黑体辐射黑体辐射黑体辐射当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时,当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时,就会发生能量跃迁。此时,电磁辐射不仅具有波的就会发生能量跃迁。此时,电磁辐射不仅具有波的特征,而且具有粒子性,最著名的例子是光电效应特征,而且具有粒子性,最著名的例子是光电效应现象的发现。现象的发现。1 1)光电效应)光电效应(Photoelectric effect)现象:现象:1887,Heinrich Hertz(在光照时,两间隙间更易发生火花放(在光照时,两间隙
7、间更易发生火花放电现象)电现象)解释:解释:1905,Einstein理论理论,E=h 证明证明:1916,Millikan(真空光电管真空光电管)本讲稿第八页,共七十二页量子理论量子理论(Max Planck,1900):物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态(Energy state),即能量是量子化的;处于不,即能量是量子化的;处于不同能量状态粒子之间发生能量跃迁时的能量差同能量状态粒子之间发生能量跃迁时的能量差 E可用可用h 表示表示。对原子和离子来说,有电子围绕带正电荷运对原子和离子来说,有电子围绕带正电荷运动的电子能态。而分子除电子能态外,还存
8、在动的电子能态。而分子除电子能态外,还存在原子间相对位移引起的原子间相对位移引起的振动振动和和转动转动能态,它们能态,它们的能量都是量子化的。原子或分子的最低能态的能量都是量子化的。原子或分子的最低能态称为称为基态基态,较高能态称为,较高能态称为激发态激发态。在室温下,。在室温下,物质一般都处在它们的基态。物质一般都处在它们的基态。2.2.2.2.电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性本讲稿第九页,共七十二页物质粒子存在不连续的能态,各能态具物质粒子存在不连续的能态,各能态具有特定的能量。当粒子的状态发生变化有特定的能量。当粒子的状态发生变化时,该粒子将吸收或发射完全
9、等于两个时,该粒子将吸收或发射完全等于两个能级之间的能量差;能级之间的能量差;即即 E=E1-E0=h 2.2.2.2.电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性本讲稿第十页,共七十二页2.1电磁辐射及电磁波谱电磁辐射及电磁波谱一.电磁辐射的波粒二象性3.3.普朗克普朗克普朗克普朗克(PlanchPlanchPlanchPlanch)公式公式公式公式E-光子的能量光子的能量光子的能量光子的能量J,J,焦耳焦耳焦耳焦耳 evev电子伏电子伏电子伏电子伏 -光子的频率光子的频率Hz,Hz,赫兹赫兹赫兹赫兹 -光子的波长光子的波长光子的波长光子的波长cmcmC C-光速光速2.
10、99792.9979 10101010cm.s-1-1h h -PlanchPlanch常数常数常数常数6.6256 10-34-34J.s焦耳焦耳焦耳焦耳.秒秒秒秒例例2-1计算波长计算波长为为530nm绿色光的绿色光的光子能量频率及波光子能量频率及波数。数。波动性波动性粒子性之间的粒子性之间的“桥桥”本讲稿第十一页,共七十二页二.光学分析法波谱1.1.电磁波谱电磁波谱 将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺序排列所画成的图或表称为电磁波谱序排列所画成的图或表称为电磁波谱序排列所画成的图
11、或表称为电磁波谱序排列所画成的图或表称为电磁波谱 这些电磁辐射包括从这些电磁辐射包括从 射线到无线电波的所射线到无线电波的所有电磁波谱范围有电磁波谱范围(分为三个区域:高辐射区的分为三个区域:高辐射区的 射线与射线与x射线射线;光学光谱区的紫外、可见与红外光学光谱区的紫外、可见与红外光谱区光谱区;波谱区的微波和射频的长波区波谱区的微波和射频的长波区)。本讲稿第十二页,共七十二页本讲稿第十三页,共七十二页光色光色 波长波长(nm)频率频率(Hz)中心波长中心波长(nm)红红760622 660橙橙622597 610黄黄597577570 绿绿577492 540青青492470 480 兰兰4
12、70455460 紫紫455400 430 可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围本讲稿第十四页,共七十二页 光谱类型光谱类型波长范围波长范围常用的波数范围常用的波数范围量子跃迁类型量子跃迁类型-射线发射光谱射线发射光谱0.005-1.4-核能级核能级X射线吸收、发射、射线吸收、发射、荧光和衍射荧光和衍射0.1-100-内层电子内层电子真空紫外吸收真空紫外吸收10-180 nm1 106-5 104价电子价电子紫外紫外-可见吸收、可见吸收、发射和荧光发射和荧光180-780 nm5 104-1.3 104价电子价电子红外吸收和拉曼散红外吸收和拉曼散射射0.78-300 m
13、1.3 104-3.3 101分子的转动和振动分子的转动和振动微波吸收微波吸收0.75-3.75 mm13-27分子的转动分子的转动电子自旋共振电子自旋共振3 cm0.33磁场中电子的自旋磁场中电子的自旋核磁共振核磁共振0.6-10 m1.7 10-2-1 10-3磁场中核的自旋磁场中核的自旋表一表一.以电磁幅射为基础的常用光谱方法以电磁幅射为基础的常用光谱方法1.1.1.1.电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱本讲稿第十五页,共七十二页二.光学分析法波谱波谱区波谱区波谱区波谱区 -射线射线射线射线波长波长波长波长5140pm5140pm跃迁类型跃迁类型跃迁类型跃迁类型核能级核能级核能级核能级X-
14、X-射线射线射线射线远紫外光远紫外光远紫外光远紫外光1010-3-310nm10nm10200nm10200nm原子内层电子原子内层电子原子内层电子原子内层电子莫斯鲍尔光谱法莫斯鲍尔光谱法莫斯鲍尔光谱法莫斯鲍尔光谱法:-射线射线射线射线原子核原子核原子核原子核 -射线吸收射线吸收射线吸收射线吸收X-X-射线吸收射线吸收射线吸收射线吸收光谱法光谱法光谱法光谱法:X-X-射线射线射线射线/放射源放射源放射源放射源原子内层电子(原子内层电子(原子内层电子(原子内层电子(n10)n10)X-X-射线吸收射线吸收射线吸收射线吸收X-X-荧光荧光荧光荧光光谱法光谱法光谱法光谱法:X-X-射线射线射线射线原
15、子内层电子原子内层电子原子内层电子原子内层电子 特征特征特征特征X-X-射线发射射线发射射线发射射线发射远紫外光远紫外光远紫外光远紫外光-真空紫外区。此部分光谱会被空气吸收真空紫外区。此部分光谱会被空气吸收真空紫外区。此部分光谱会被空气吸收真空紫外区。此部分光谱会被空气吸收原子光谱:原子发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱原子光谱:原子发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱原子光谱:原子发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱原子光谱:原子发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱分子光谱:紫外分子光谱:紫外分子光谱:紫外分子光谱:紫外-可见吸收光谱、分子荧光可见吸收光谱、分子荧光可见吸收光谱、分子荧光可
16、见吸收光谱、分子荧光/磷光光谱、化学发光磷光光谱、化学发光磷光光谱、化学发光磷光光谱、化学发光近紫外光近紫外光近紫外光近紫外光可见光可见光可见光可见光200400nm200400nm400750nm400750nm原子外层电子原子外层电子原子外层电子原子外层电子/分子成键电子分子成键电子分子成键电子分子成键电子2.2.电磁波谱与现代仪器分析方法电磁波谱与现代仪器分析方法电磁波谱与现代仪器分析方法电磁波谱与现代仪器分析方法本讲稿第十六页,共七十二页波谱区波谱区波谱区波谱区近红外光近红外光近红外光近红外光中红外光中红外光中红外光中红外光波长波长波长波长0.752.50.752.5 mm2.5502
17、.550 mm跃迁类型跃迁类型分子振动分子振动远红外光远红外光远红外光远红外光微波微波微波微波射频射频射频射频501990501990 mm0.1100cm0.1100cm1100m1100m分子转动分子转动电子、核自旋电子、核自旋近红外光谱区近红外光谱区近红外光谱区近红外光谱区:配位化学的研究对象配位化学的研究对象配位化学的研究对象配位化学的研究对象红外吸收光谱法红外吸收光谱法红外吸收光谱法红外吸收光谱法:红外光红外光红外光红外光分子分子分子分子吸收吸收吸收吸收远红外光谱区远红外光谱区远红外光谱区远红外光谱区电子自旋共振波谱法电子自旋共振波谱法电子自旋共振波谱法电子自旋共振波谱法:微波微波微
18、波微波分子未成对电子分子未成对电子分子未成对电子分子未成对电子吸收吸收吸收吸收核磁共振波谱法核磁共振波谱法核磁共振波谱法核磁共振波谱法:射频射频射频射频原子核自旋原子核自旋原子核自旋原子核自旋吸收吸收吸收吸收本讲稿第十七页,共七十二页三三.电磁辐射与物质的相互作用电磁辐射与物质的相互作用1.1.1.1.物质的能态物质的能态物质的能态物质的能态2.2.2.2.电磁辐射的吸收与发射电磁辐射的吸收与发射电磁辐射的吸收与发射电磁辐射的吸收与发射原子、离子原子、离子原子、离子原子、离子 分子分子分子分子A.A.A.A.原子光谱原子光谱原子光谱原子光谱 线光谱线光谱线光谱线光谱 Line spectraL
19、ine spectraE E2 2E E0 0E E1 1E E3 3h i波长波长波长波长半宽度半宽度半宽度半宽度10101010-2-2-2-21010-5-5Na 5890Na 5890Na 5890Na 5890、5896589658965896原子吸收光谱原子吸收光谱原子吸收光谱原子吸收光谱原子发射光谱原子发射光谱原子发射光谱原子发射光谱本讲稿第十八页,共七十二页B.B.B.B.分子光谱分子光谱分子光谱分子光谱 带光谱带光谱带光谱带光谱 Band spectra 有机、无机分子有机、无机分子有机、无机分子有机、无机分子E E2 2E E1 1E E0 0半宽度半宽度半宽度半宽度202
20、02020 100nm100nm100nm100nm分子吸收光谱分子吸收光谱分子吸收光谱分子吸收光谱分子发射光谱分子发射光谱分子发射光谱分子发射光谱h i波长波长波长波长/nm/nm/nm/nmA(T)A(T)波长波长波长波长/nm/nm/nm/nmI I半宽度半宽度半宽度半宽度20202020 100nm100nm100nm100nm本讲稿第十九页,共七十二页C.C.荧光发射荧光发射光致发光光致发光光致发光光致发光 h h 原子荧光原子荧光原子荧光原子荧光-线光谱线光谱线光谱线光谱 E2E0E1E3h i本讲稿第二十页,共七十二页3.原子荧光分析法原子荧光分析法 气态原子吸收特征波长的辐射后
21、,气态原子吸收特征波长的辐射后,外层电子从基态或低能态跃迁到高能态,在外层电子从基态或低能态跃迁到高能态,在1010-8-8s s后跃回后跃回基态或低能态时,发射出与吸收波长相同或不同的荧基态或低能态时,发射出与吸收波长相同或不同的荧光辐射,在与光源成光辐射,在与光源成9090度的方向上,测定荧光强度进行度的方向上,测定荧光强度进行定量分析的方法。定量分析的方法。4.4.分子荧光分析法分子荧光分析法 某些物质被紫外光照射激发后,某些物质被紫外光照射激发后,在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光,在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光,通过测量荧光强度进行定量分析的方法。通过测量
22、荧光强度进行定量分析的方法。本讲稿第二十一页,共七十二页C.C.C.C.荧光发射荧光发射荧光发射荧光发射光致发光光致发光光致发光光致发光 分子荧光分子荧光分析法分析法某些某些物质被紫外光物质被紫外光照射激发后,照射激发后,在回到基态的在回到基态的过程中发射出过程中发射出比原激发波长比原激发波长更长的荧光,更长的荧光,通过测量荧光通过测量荧光强度进行定量强度进行定量分析的方法。分析的方法。分子荧光分子荧光分子荧光分子荧光-带光谱带光谱带光谱带光谱 E E2 2E E1 1E E0 0h ih 本讲稿第二十二页,共七十二页丁达尔散射丁达尔散射(Tyndall):大分子(如胶体粒子和聚合物分子)尺寸
23、与光的大分子(如胶体粒子和聚合物分子)尺寸与光的波长相近时所产生的散射现象,其散射波长与入波长相近时所产生的散射现象,其散射波长与入射光的波长一样射光的波长一样.此时散射光极强(与此时散射光极强(与 2 2成反比)成反比),可以肉眼观察到,可以肉眼观察到。John Tyndall was born on Aug 2 1820,at Leighlin Bridge,County Carlow,Ireland.Tyndall died in 18933.光的散射光的散射(Scattering)本讲稿第二十三页,共七十二页Born:12 Nov 1842 in Langford Grove(near
24、 Maldon),Essex,EnglandDied:30 June 1919 in Terling Place,Witham,Essex,England瑞利散射瑞利散射(Rayleigh):(弹性碰撞,:(弹性碰撞,方向改变,但方向改变,但 不变)当不变)当分子或分子集合体的尺寸远小于光的波长时分子或分子集合体的尺寸远小于光的波长时(d0.1 )所发生的所发生的散射现象。散射光强散射现象。散射光强I与光的波长的与光的波长的 4成反比。成反比。John William Strutt Lord Rayleigh本讲稿第二十四页,共七十二页Raman散射散射频率为频率为 0 的单色光照射透明物质,
25、物质分子会发生散射的单色光照射透明物质,物质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换引现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换引起,即不仅光子的起,即不仅光子的 运动方向发生变化,它的能量也运动方向发生变化,它的能量也 发生变化,则称为发生变化,则称为Raman散射散射。这。这 种散射光的频率(种散射光的频率(m)与入射光)与入射光 的频率不同,称为的频率不同,称为Raman位移位移。Raman位移的大小与分子的振动位移的大小与分子的振动 和转动的能级有关,利用和转动的能级有关,利用Raman 位移研究物质结构的方法称位移研究物质结构的方法称 为为Raman光谱法光谱
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