第2章光分析法导论精.ppt

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1、第2章光分析法导论第1页，本讲稿共72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第2页，本讲稿共72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光谱

2、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第3页，本讲稿共72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辐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射信号或电磁辐射与物质相互作用后产生辐射信号的辐射信号的变化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区。波的所有电磁波谱范围，而不只局限于光学光谱区。2电磁辐射与物质的相互作用方式很多，有发电磁辐射与物质的相互作用方式很多，有

3、发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等射、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的分析方法。等，各种相互作用的方式均可建立起对应的分析方法。第4页，本讲稿共72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，不需要以任何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物质作为传播媒介的能量能量形式，称为形式，称为电磁波电磁波。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第5页，本讲稿共72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

4、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 电磁辐射为正弦波（波长、频率、速电磁辐射为正弦波（波长、频率、速度、振幅）。与其它波（如声波）不同，电磁波不需传播介质，可在度、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。真空中传输。第6页，本讲稿共72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、m

5、m、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）有关有关第7页，本讲稿共72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2.2.2.2.电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子

6、性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当物质发射射电磁磁辐射或者射或者电磁磁辐射被物射被物质吸收吸收时，就会，就会发生能量生能量跃迁。此迁。此时，电磁磁辐射不射不仅具有波的特征，而具有波的特征，而且具有粒子性，最著名的例子是光且具有粒子性，最著名的例子是光电效效应现象的象的发现。1 1）光）光电效效应（Photoelectric effect）现象：现象：1887，Heinrich Hertz（在光照（在光照时，两，两间隙隙间更易更易发生火花放生火花放电现象）象）解解释：1905，Ein

7、stein理论理论，E=h 证明证明：1916，Millikan（真空光电管真空光电管）第8页，本讲稿共72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

8、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第9页，本讲稿共72页物物质粒子存在不粒子存在不连续的能的能态，各能，各能态具具有特定的能量。当粒子的状有特定的能量。当粒子的状态发生生变化化时，该粒子将吸收或粒子将吸收或发射完全等于两个射完全等于两个能能级之之间的能量差；的能量差；即即 E=E1

9、-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第10页，本讲稿共72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3.3.3.3.普朗克普朗克普朗克普朗克(PlanchPlanchPlanchPlanch)公式公式公式公式E 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-光速光速光速光速2.99792.9979 10101010cm.scm

10、.s-1-1h h -PlanchPlanch常数常数常数常数6.62566.6256 1010-34-34J.sJ.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绿色光的光绿色光的光子能量频率及波数。子能量频率及波数。波动性波动性粒子性之间的粒子性之间的“桥桥”第11页，本讲稿共72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将各种电磁辐射按照波长或频率的大小将各种电磁辐射按照波长或频率的大小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顺序排列所画成的图或表称为电磁波谱顺序排列所画成的图或表称为电磁波谱顺序排列

11、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有射线到无线电波的所有电磁波谱范围电磁波谱范围(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、可见与红外光谱区光学光谱区的紫外、可见与红外光谱区;波谱波谱区的微波和射频的长波区区的微波和射频的长波区)。第12页，本讲稿共72页第13页，本讲稿共72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470455460 紫紫45

12、5400 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第14页，本讲稿共72页 光光谱类型型波波长范范围常用的波数范常用的波数范围量子量子跃迁迁类型型-射射线发射光射光谱0.005-1.4-核能核能级X射射线吸收、吸收、发射、射、荧光和衍射光和衍射0.1-100-内内层电子子真空紫外吸收真空紫外吸收10-180 nm1 106-5 104价价电子子紫外紫外-可可见吸收、吸收、发射和射和荧光光180-780 nm5 104-1.3 104价价电子子红外吸收和拉曼外吸收和拉曼散射散射0.78-300 m1.3 104-3.3 101分子的分子的转动和振和振动微波吸收微波吸收

13、0.75-3.75 mm13-27分子的分子的转动电子自旋共振子自旋共振3 cm0.33磁磁场中中电子的自旋子的自旋核磁共振核磁共振0.6-10 m1.7 10-2-1 10-3磁磁场中核的自旋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第15页，本讲稿共72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-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1010-3-310nm10nm1020

14、0nm10200nm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

15、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

16、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2.2.2.2.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第16页，本讲稿共72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 mm2.5502.550 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

17、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

18、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第17页，本讲稿共72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 spectraLine spectraE E2 2E E0 0E E1 1E E3 3h i波长波长波长

19、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第18页，本讲稿共72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20202020 100nm100nm100nm100nm分子吸收光谱分子吸收光谱分子吸收光谱分

20、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第19页，本讲稿共72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第20页，本讲稿共72页3.原子荧光分析法原子荧光分析法气气态原子吸收特征波原子吸收特征波长的的辐射射后，外后，外层电子从基子从基态或低能或低能态跃迁到高能迁到高能态，在，在10-

21、8s s后后跃回基回基态或低能或低能态时，发射出与吸收波射出与吸收波长相同或不同的相同或不同的荧光光辐射，在与光源成射，在与光源成90度的方向上，度的方向上，测定定荧光光强度度进行定量分析的方法。行定量分析的方法。4.4.分子荧光分析法分子荧光分析法 某些物某些物质被紫外光照射激被紫外光照射激发后，在后，在回到基回到基态的的过程中程中发射出比原激射出比原激发波波长更更长的的荧光，通光，通过测量量荧光光强度度进行定量分析的方法。行定量分析的方法。第21页，本讲稿共72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

22、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 第22页，本讲稿共72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

23、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）第23页，本讲稿共72页Born:12 Nov 1842 in Langford Grove(near Maldon),Essex,EnglandDied:30 June 1919 in Terling Place,Witham,Essex,England瑞利散射瑞利散射(Rayleigh)：

24、（弹性碰撞，：（弹性碰撞，方向改变，但方向改变，但 不变）当分不变）当分子或分子集合体的尺寸远小于光的波长时子或分子集合体的尺寸远小于光的波长时(d0.1 )所发生的散所发生的散射现象。散射光强射现象。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第24页，本讲稿共72页Raman散射散射频率率为 0 的的单色光照射透明物色光照射透明物质，物，物质分子会分子会发生散生散射射现象。如果象。如果这种散射是光子与物种散射是光子与物质分子分子发生能量生能量交交换引起，即不引起，即不仅光子的光子的运运动方向方向发生生变化，它的能量

25、也化，它的能量也发生生变化，化，则称称为Raman散射散射。这种散射光的种散射光的频率（率（m）与入射光）与入射光的的频率不同，称率不同，称为Raman位移位移。Raman位移的大小与分子的振位移的大小与分子的振动和和转动的能的能级有关，利用有关，利用Raman 位移研究物位移研究物质结构的方法称构的方法称 为Raman光光谱法法。b.Nov.7,1888,Trichinopoly,Indiad.Nov.21,1970,BangaloreThe Nobel Prize in Physics 1930“for his work on the scattering of light“for his

26、 work on the scattering of light and for the discovery of the effect and for the discovery of the effect named after him”named after him”第25页，本讲稿共72页4.折射和反射 （单色光）入射（单色光）入射 法线法线 反射反射 I0 Ir i1 i2 空气空气 n n1 1=1=1 玻璃玻璃n n2 2=1.5=1.5 r r2 2 折射折射折射折射:斯涅尔（斯涅尔（Snell）折射定律）折射定律 n2Sinr2=n1Sini1反射反射:入射角入射角i1 =反

27、射角反射角i2 反射的反射率反射的反射率 =Ir/I0 i i1 16060时时 变化不大变化不大第26页，本讲稿共72页5.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，将产生一在一定条件下光波会相互作用，当其叠加时，将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。个其强度视各波的相位而定的加强或减弱的合成波。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的角度向的角度向外辐射，波前的方向发生了弯曲，这是波的衍射现象。外辐射，波前的方向发生了弯曲，这是波的衍射现象。单狭缝衍射的光能主要集中在中央明条纹上（见图）。单狭缝衍射的光能主要

28、集中在中央明条纹上（见图）。第27页，本讲稿共72页第28页，本讲稿共72页第29页，本讲稿共72页2.2 2.2 光学分析法分类光学分析法分类typeof opticalanalysis 光分析法光分析法原子光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法分子光谱分析法原原子子吸吸收收光光谱谱原原子子发发射射光光谱谱原原子子荧荧光光光光谱谱X射射线线荧荧光光光光谱谱折折射射法法比比浊浊法法X射射线线衍衍射射法法干干涉涉法法旋旋光光法法紫紫外外可可见见光光谱谱法法红红外外光光谱谱法法分分子子荧荧光光光光谱谱法法分分子子磷磷光光光光谱谱法法核核磁磁共共振振波波谱谱法法非光谱分析法光谱分析法光谱分析法第30

29、页，本讲稿共72页光谱分析法光谱分析法吸收光谱法吸收光谱法发射光谱法发射光谱法原子光谱法原子光谱法分子光谱法分子光谱法原原子子发发射射原原子子吸吸收收原原子子荧荧光光X射射线线荧荧光光原原子子吸吸收收紫紫外外可可见见红红外外可可见见核核磁磁共共振振紫紫外外可可见见红红外外可可见见分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光核核磁磁共共振振化化学学发发光光原原子子发发射射原原子子荧荧光光分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光X射射线线荧荧光光化化学学发发光光电磁辐射的电磁辐射的本质本质电磁辐射的电磁辐射的传递方式传递方式(线状光谱线状光谱)(带状光谱带状光谱)第31页，本讲稿共72页 光光谱形状形状线光谱线光谱(

30、Line spectra):当辐射物质是单个的气态原子时，产生紫外、可见光区的线光谱。当辐射物质是单个的气态原子时，产生紫外、可见光区的线光谱。线宽大约为线宽大约为10-4。带状光谱带状光谱(Band spectra):带光谱是由许多量子化的振动能级叠加在分子的基态能级上而带光谱是由许多量子化的振动能级叠加在分子的基态能级上而形成的。它们是一系列靠得很近的线光谱组成，因使用的仪器形成的。它们是一系列靠得很近的线光谱组成，因使用的仪器不能分辨完全而呈现出来。不能分辨完全而呈现出来。其带宽达几个至几十个其带宽达几个至几十个nm)；连续光谱连续光谱(Continuum spectra)：固体被加热到

31、炽热状态时，无数原子和分子的运动或振动所产生的固体被加热到炽热状态时，无数原子和分子的运动或振动所产生的热辐射，也称黑体辐射，通常产生背景干扰。温度越高，辐射越强，热辐射，也称黑体辐射，通常产生背景干扰。温度越高，辐射越强，而且短波长的辐射强度增加得最快！值得注意的是，当向紫外光区而且短波长的辐射强度增加得最快！值得注意的是，当向紫外光区移动时，背景将迅速降低。移动时，背景将迅速降低。另一方面，炽热的固体所产生的连续辐射是红外、可见及较另一方面，炽热的固体所产生的连续辐射是红外、可见及较长波长的光的重要辐射源（光源）。长波长的光的重要辐射源（光源）。第32页，本讲稿共72页光谱带宽光谱带宽分子

32、光谱的带宽通常为分子光谱的带宽通常为 100 nm.原子光谱带宽通常为原子光谱带宽通常为 0.001 nm.原子光谱由于谱带宽度很窄，所以不同原子光谱由于谱带宽度很窄，所以不同原子之间的谱带通常不会出现相互叠加原子之间的谱带通常不会出现相互叠加的情形的情形。第33页，本讲稿共72页组成：光源，成：光源，单色器，色器，样品容器，品容器，检测器（光器（光电转换器、器、电子子读出、数据出、数据处理及理及记录）。）。吸收吸收荧光荧光发射发射 2.3 光谱仪器光谱仪器第34页，本讲稿共72页原子化方法原子化方法原子化器原子化器温度温度 oC火焰火焰(Flame)1700-3150电热(Electroth

33、ermal Vaporization)1200-3000电感耦合等离子体感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma(ICP)4000-8000直流等离子体直流等离子体(Direct Current Plasma(DCP)4000-6000微波微波诱导等离子体等离子体(Microwave-induced Plasma(MIP)2000-3000电弧弧(Electric Arc)4000-7000电火花火花(Electric Spark)4000第35页，本讲稿共72页1、光源光源光谱分析中，光源必须具有光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率足够的输出功率和和稳定性稳定性

34、。由。由于光源辐射功率的波动与电源功率的变化成指数关系，因此于光源辐射功率的波动与电源功率的变化成指数关系，因此往往需用稳压电源以保证稳定或者用参比光束的方法来减少往往需用稳压电源以保证稳定或者用参比光束的方法来减少光源输出对测定所产生的影响。光源输出对测定所产生的影响。光源为光源为连续光源连续光源和和线光源线光源等等连续光源：连续光源：在较大范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、在较大范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；钨丝灯等；主要用于主要用于分子吸收光谱法分子吸收光谱法；线线光光源：源：提供特定波长的光源，金属蒸气灯提供特定波长的光源，金属蒸气灯(汞灯、钠蒸汞灯、钠蒸气灯气灯)、

35、空心阴极灯、激光等；、空心阴极灯、激光等；用于用于荧光荧光、原子吸收原子吸收和和Raman光谱法光谱法。第36页，本讲稿共72页 紫外光源紫外光源 紫外连续光源主要采用紫外连续光源主要采用氢灯或氘灯氢灯或氘灯。在低压。在低压（1.3 103 Pa）下以电激发的方式产生的连下以电激发的方式产生的连续光谱，光谱范围为续光谱，光谱范围为160375 nm。氘灯的工作方式与氢灯相同，光谱强度比氢灯氘灯的工作方式与氢灯相同，光谱强度比氢灯大大3 5倍，寿命也比氢灯长倍，寿命也比氢灯长。1)连续光源连续光源连续光源连续光源是指在波长范围内主要发射强度平稳是指在波长范围内主要发射强度平稳的具有连续光谱的光源

36、。的具有连续光谱的光源。第37页，本讲稿共72页 可见光源可见光源可见光区最常见的光源是可见光区最常见的光源是钨丝灯钨丝灯。在大多数仪器中，。在大多数仪器中，钨丝的工作温度约为钨丝的工作温度约为2870 K，光谱波长范围为光谱波长范围为320 2500 nm。氙灯氙灯也可用作可见光源，当电流通过也可用作可见光源，当电流通过氙灯时，产生强辐射，发射的连续光谱分布在氙灯时，产生强辐射，发射的连续光谱分布在250 700 nm。红外光源红外光源常用的红外光源是一种用电加热到温度在常用的红外光源是一种用电加热到温度在1500 2000 K之间的惰性固体，光强最大的区域在之间的惰性固体，光强最大的区域在

37、6000 5000 cm-1。在长波侧在长波侧667 cm-1和短波侧和短波侧10000 cm-1的强度已降到峰值的的强度已降到峰值的1%左右。常用的有能斯特灯、左右。常用的有能斯特灯、硅碳棒。硅碳棒。连续光源连续光源第38页，本讲稿共72页氙灯氙灯氢灯氢灯钨灯钨灯第39页，本讲稿共72页 2)线光源线光源 金属蒸气灯金属蒸气灯 在透明封套内含有低压气体元素，常见的是汞灯和钠蒸在透明封套内含有低压气体元素，常见的是汞灯和钠蒸气灯。把电压加到固定在封套上的一对电极上，会激发气灯。把电压加到固定在封套上的一对电极上，会激发出元素的特征线光谱。汞灯产生的线光谱的波长范围为出元素的特征线光谱。汞灯产生

38、的线光谱的波长范围为254 734 nm，钠灯主要是钠灯主要是589.0 nm 和和589.6 nm处的一处的一对谱线对谱线。空心阴极灯空心阴极灯 (Hollow-cathode lamp,HCL)主要用于原子吸收光谱，能提供许多元素的特征光谱。主要用于原子吸收光谱，能提供许多元素的特征光谱。第40页，本讲稿共72页 激光激光(Laser:light amplification by stimulated emission of radiation)激光的强度高，方向性和单色性好，作激光的强度高，方向性和单色性好，作为一种新型光源应用于为一种新型光源应用于Raman光谱、荧光谱、荧光光谱、发射

39、光谱。光光谱、发射光谱。波长：极紫外波长：极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米线光源线光源第41页，本讲稿共72页 连 续 光光 源源紫外光源紫外光源H2灯灯160-375 nmD2灯灯可可见光源光源W 灯灯320-2500 nm氙灯氙灯250-700 nm红外光源外光源Nernst灯灯6000-5000 cm-1硅碳棒硅碳棒 线 光光 源源金属蒸汽灯金属蒸汽灯Hg灯灯254-734 nmNa灯灯589.0 nm 589.6 nm空心阴极灯空心阴极灯空心阴极灯空心阴极灯也称元素灯也称元素灯高高强度空心阴极灯度空心阴极灯激光激光红宝石激光器宝石激光器693.4 nmHe-Ne激光器激光器632.8 n

40、mAr离子激光器离子激光器515.4nm 488.0 nm发射光射光谱光源光源直流直流电弧弧电能能交流交流电弧弧火花火花ICP对光源的要求对光源的要求：强度大：强度大(分析灵敏度高分析灵敏度高)、稳定、稳定(分析重现性好分析重现性好)。第42页，本讲稿共72页2.分光系分光系统（monochromator,wavelength selector）定义：将由不同波长的定义：将由不同波长的“复合光复合光”分开为分开为一系列一系列“单一单一”波长的波长的“单色光单色光”的器件的器件。理想的理想的100%的单色光的单色光(monochromatic light)是不可是不可能达到的，实际上只能获得的是

41、具有一定能达到的，实际上只能获得的是具有一定“纯度纯度(spectral purity)”的单色光，即该的单色光，即该“单色光具有一定的单色光具有一定的宽度（宽度（spectral bandwidth有效带宽）。有效带宽越小，有效带宽）。有效带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响分析的灵敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越好。应信号的线性相关性也越好。第43页，本讲稿共72页单色光单色光具有单一频率的光波称为单色光。具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，

42、各种频率（或波长）所对应的强围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。度是不同的。波长所对应的波长范围越窄，光的单波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好色性越好谱线宽度：通常用强度下降到谱线宽度：通常用强度下降到的两点之间的波长范围的两点之间的波长范围 谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量第44页，本讲稿共72页单色器色器单色器是用来产生高光谱纯度辐射束的装置，且辐射束的波单色器是用来产生高光谱纯度辐射束的装置，且辐射束的波长可以在一个较大范围内任意改变，即单色器可以用来扫描长可以在一个较大范围内任意改变，即单色器可以用来扫描光谱。光谱。单色

43、器由入射狭缝和出射狭缝、准直装置（使辐射束呈平单色器由入射狭缝和出射狭缝、准直装置（使辐射束呈平行光线传播的透镜或反射镜）、色散装置（如棱镜或光栅行光线传播的透镜或反射镜）、色散装置（如棱镜或光栅等）以及聚焦透镜或凹面反射镜（使每个单色光束在单色等）以及聚焦透镜或凹面反射镜（使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像）组成器的出口曲面上成像）组成。过去仪器中的色散元件大都采用棱镜，而现在几乎所有过去仪器中的色散元件大都采用棱镜，而现在几乎所有的色散元件都是采用反射光栅。这是由于光栅对同样尺的色散元件都是采用反射光栅。这是由于光栅对同样尺寸大小的色散元件可以获得最好的波长分离，并且辐射寸大小的色散元

44、件可以获得最好的波长分离，并且辐射沿焦面呈线性色散，棱镜则恰好相反，短波的色散大于沿焦面呈线性色散，棱镜则恰好相反，短波的色散大于长波。长波。第45页，本讲稿共72页入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜光栅光栅物镜物镜出射狭缝出射狭缝f其中最主要的分光元件为其中最主要的分光元件为棱镜棱镜和和光栅光栅。第46页，本讲稿共72页棱镜（棱镜（Prism）：）：棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小

45、的折射率大。波长小的折射率大。(a)Cornu 棱镜棱镜 b(b)Littrow 棱镜棱镜（左旋（左旋+右旋右旋-消除双像）消除双像）（镀膜反射）（镀膜反射）第47页，本讲稿共72页大量等大量等宽等等间距平行狭距平行狭缝(或反射面或反射面)构构成的光学元件。成的光学元件。1823年年，J.Fraunhofer首次刻划出玻璃首次刻划出玻璃透射光栅。透射光栅。1882年，年，H.A.Rowland建立建立起可刻划起可刻划6英寸的光栅刻划机，发明了凹英寸的光栅刻划机，发明了凹面光栅。面光栅。光栅光栅第48页，本讲稿共72页衍射光栅衍射光栅 (透射光栅透射光栅)反射光栅反射光栅(闪耀光栅闪耀光栅)从工

46、作原理分从工作原理分光栅制作光栅制作机制光栅：在玻璃片上刻划出一系列平行等距的划痕机制光栅：在玻璃片上刻划出一系列平行等距的划痕,刻过的地方刻过的地方不透光，未刻地方透光。不透光，未刻地方透光。全息光栅：通过全息照相，将激光产生的干涉条纹在干板上曝光，全息光栅：通过全息照相，将激光产生的干涉条纹在干板上曝光，经显影定影制成全息光栅。经显影定影制成全息光栅。通常在通常在 1 cm 内刻有成千上万条透光狭缝。内刻有成千上万条透光狭缝。光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍射两者联合作用的结果。衍射两者联合作用的结果。第49

47、页，本讲稿共72页Grating patterns of two wavelengths-4-3-2-143210=4000 A+=5000 Asin m-4-3-2-143210=5000 Am=4000 A-4-3-2-143210m第50页，本讲稿共72页单色器质量取决于色散能力与分辨能力：单色器质量取决于色散能力与分辨能力：分辨率分辨率R：指将两条靠得很近的谱线分开的能力指将两条靠得很近的谱线分开的能力（Rayleigh准则准则:在波长在波长相近的两条谱线中，当一条谱线波长的极大值正好落在另一条谱线波长的极相近的两条谱线中，当一条谱线波长的极大值正好落在另一条谱线波长的极小值时，则认为

48、这两条线是可分辨的），可表示为小值时，则认为这两条线是可分辨的），可表示为其中，其中，相邻两谱线的平均波长，相邻两谱线的平均波长，是是两波长的差。紫外可见光区两波长的差。紫外可见光区在在10103 3-10-104 4。色散的有角色散与线色散（见。色散的有角色散与线色散（见P48P48）。）。第51页，本讲稿共72页光栅单色器的分辨率光栅单色器的分辨率R：N-光栅总刻线数（条）；光栅总刻线数（条）；W-光栅被照亮的宽度光栅被照亮的宽度（mm）；）；d-光光栅常数常数(mm)；n-光谱级数光谱级数由此可见，分辨率与光谱级数和光栅总刻线数成由此可见，分辨率与光谱级数和光栅总刻线数成正比，与波长无关

49、。在实际工作中，要想获得高正比，与波长无关。在实际工作中，要想获得高分辨率，最现实的办法是采用大块的光栅，以增分辨率，最现实的办法是采用大块的光栅，以增加总刻线数。目前，有些光谱仪已有加总刻线数。目前，有些光谱仪已有254 mm大光大光栅，其分辨率可达，其分辨率可达6 105。（见P49）第52页，本讲稿共72页狭缝狭缝（Slit）构成：狭构成：狭缝是两片是两片经过精密加工、具有精密加工、具有锐利利边缘的金属的金属组成。两成。两片金属片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，可看作是一个光源，在相在相应波波长位置，入射狭位置，入射狭缝的像的像刚好充

50、好充满整个出射狭整个出射狭缝。有效有效带宽：整个：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色散率有关色器的分辨能力除与分光元件的色散率有关外，外，还与狭与狭缝宽度有关。即度有关。即单色器的分辨能力（有效色器的分辨能力（有效带宽W）应由下式决定：）应由下式决定：D 线色散率；线色散率；S 狭狭缝宽度。当度。当单色色仪的色散率固定的色散率固定时，波，波长间隔将随狭隔将随狭缝宽度度变化。化。第53页，本讲稿共72页狭缝宽度的选择原则狭缝宽度的选择原则定性分析：选择较窄的狭缝宽度定性分析：选择较窄的狭缝宽度-提高分辨提高分辨 率，减少其它谱线的干扰，提高选择性；率，减少其它谱线的干扰，提高选择性；定量分析：