《光谱分析法引论》PPT课件.ppt

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1、第二章第二章 光谱分析法引论光谱分析法引论2.2电电磁磁辐辐射射2.3光光与与物物质质相相互互作作用用2.5光光谱谱分分析析仪仪器器2.1概概述述2.4光光学学分分析析法法分分类类物质分为两大类物质分为两大类无质量的客观存在，象电场，无质量的客观存在，象电场，磁场，以及由电场和磁场组成磁场，以及由电场和磁场组成的电磁波。的电磁波。实物实物场场 有实际质量的物体，包括天体，有实际质量的物体，包括天体，地球，各种物品，也包括需借助地球，各种物品，也包括需借助于仪器才能看的见的微观物体，于仪器才能看的见的微观物体，电子，原子，中子等。电子，原子，中子等。2.1概概述述1.1.由电场和磁场组成由电场和

2、磁场组成2.2.电场和磁场相互垂直且垂直于其电场和磁场相互垂直且垂直于其 传播方向传播方向3.3.传播速度在真空中为光速传播速度在真空中为光速2.2.1基本了解基本了解2.2电电磁磁辐辐射射2.2.2基本性质基本性质电磁波的波粒二象性电磁波的波粒二象性(1)c真空中光速真空中光速2.99792458108m/s3.0108m/s波长，单位：波长，单位：m,cm,mm,m,nm,1m=10-6m,1nm=10-9m,1=10-10m频率，单位：赫芝（周）频率，单位：赫芝（周）Hz次次/秒秒n折射率，真空中为折射率，真空中为1光的传播速度光的传播速度:波动性波动性电磁波的波粒二象性电磁波的波粒二象

3、性(2)(2)h普朗克普朗克(Planck)常数常数 6.62610-34Js 频率频率E光量子具有的能量光量子具有的能量 单位：单位：J(焦耳焦耳)，eV(电子伏特电子伏特)1eV=1.6021019J微粒性微粒性光量子，具有能量。光量子，具有能量。电磁波的波粒二象性电磁波的波粒二象性(3)结论结论:一定波长的光具有一定的能量，波长越长一定波长的光具有一定的能量，波长越长(频率越频率越低低)，光量子的能量越低。，光量子的能量越低。单色光：单色光：具有相同能量具有相同能量(相同波长相同波长)的光。的光。混合光：混合光：具有不同能量具有不同能量(不同波长不同波长)的光复合在一起。例的光复合在一起

4、。例如如,白光。白光。波粒二象性波粒二象性真空中真空中:2.2.3电磁波谱电磁波谱400nm780nm紫外光区紫外光区10nm射线射线射线射线红外光区红外光区300um微波微波无线电波无线电波30m核能级跃迁核能级跃迁内层电子能级跃迁内层电子能级跃迁原子和分子原子和分子外层电子外层电子能级跃迁能级跃迁分子振动、转分子振动、转动能级跃迁动能级跃迁分子转动能级跃迁分子转动能级跃迁核自旋磁能级跃迁核自旋磁能级跃迁核能级跃迁核能级跃迁射线射线内层电子跃迁内层电子跃迁射线射线能谱能谱远紫外远紫外原子原子近紫外近紫外分子分子紫紫400nm外层外层蓝蓝电子电子青青跃迁跃迁绿绿可见光可见光光学区光学区电磁波谱

5、电磁波谱黄黄（光学（光学橙橙光谱）光谱）红红780nm分子振动分子振动近红外近红外分子振动分子振动中红外中红外分子转动分子转动远红外远红外分子转动分子转动微波微波波谱波谱核自旋核自旋无线电波无线电波跃迁跃迁基态基态激发态激发态（E基态基态）“碰撞碰撞”(E激发激发）E=h=hc/=E激发激发-E基态基态2.3 2.3 光与物质相互作用光与物质相互作用光能够被物质吸收和发射光能够被物质吸收和发射CuCu光能够被物质吸收光能够被物质吸收通过透明介质时通过透明介质时 光的透射光的透射；通过不均匀介质时通过不均匀介质时 光的散射光的散射；从一种透明介质进入另一种透明介质从一种透明介质进入另一种透明介质

6、光的折射光的折射光不能够被物质吸收光不能够被物质吸收光子2.4.1光谱产生的原理光谱产生的原理E0=0E1=23跃迁基基态态激发态激发态只有当光子的能量等于只有当光子的能量等于E时才能被吸收时才能被吸收即即E光子光子=EE=hc/分子能级分子有三种运动方式分子有三种运动方式分子有三种运动方式分子有三种运动方式分子沿某一轴转动分子沿某一轴转动 化学键振动化学键振动形成化学键的电子云形状变化形成化学键的电子云形状变化 对应有三种能级对应有三种能级转动能级转动能级(Rotation energy level)(Rotation energy level)振动能级振动能级(Vibration ener

7、gy level)(Vibration energy level)电子能级电子能级(Electron energy level)(Electron energy level)（以分子结构为例说明）（以分子结构为例说明）电子能级电子能级 振动能级振动能级 转动能级转动能级 分子光谱分子光谱分子吸收光谱分子吸收光谱v分子转动能级跃迁产生的光谱为转动光谱分子转动能级跃迁产生的光谱为转动光谱所需能所需能量最小量最小0.05ev，微波或远红外照射，微波或远红外照射v分子振动能级跃迁产生的光谱为转动光谱，又叫分子振动能级跃迁产生的光谱为转动光谱，又叫红外红外吸收光谱吸收光谱*所需能量所需能量0.051ev

8、，用红外光照射。，用红外光照射。振振-转光谱。转光谱。v电子能级跃迁产生的光谱为电子光谱，又叫电子能级跃迁产生的光谱为电子光谱，又叫紫外可见紫外可见吸收光谱吸收光谱*所需能量所需能量120ev，用紫外、可见光照，用紫外、可见光照射。射。电电-振振-转光谱。转光谱。Ee=1ev20ev0.06ume1.25um紫外可见光区紫外可见光区E转转=0.005ev0.05ev24.8um转转248um远远红红外外区区E振振=0.05ev1ev1.25um振振25um红红外外光光区区光谱种类光谱种类原子光谱：吸收、发射、荧光原子光谱：吸收、发射、荧光线状光谱线状光谱 黑体辐射：白炽灯、液、固灼热发光黑体辐

9、射：白炽灯、液、固灼热发光连续光谱连续光谱 分子光谱：紫外、可见、红外等吸收光谱分子光谱：紫外、可见、红外等吸收光谱带状光谱带状光谱 I光学分析法光学分析法光谱法光谱法分子光谱法分子光谱法UV/Vis,IR,MFS,MPS非光谱法非光谱法（折射法，浊度法，旋光法）（折射法，浊度法，旋光法）原子光谱法原子光谱法AAS,AES,AFS（不以光的波长为特征讯号，通过测量电磁（不以光的波长为特征讯号，通过测量电磁辐射的某些基本性质的变化的分析方法。）辐射的某些基本性质的变化的分析方法。）（以光的吸收、发射等作用而建立的分析方法，（以光的吸收、发射等作用而建立的分析方法，通过检测光谱的波长和强度来进行定

10、性和定量通过检测光谱的波长和强度来进行定性和定量的方法。）的方法。）2.4光学分析法分类光学分析法分类光学分析法光学分析法:以能量作用于被测物质后，检测其产生以能量作用于被测物质后，检测其产生的辐射信号或辐射性质所引起的变化的分析方法。的辐射信号或辐射性质所引起的变化的分析方法。紫外紫外-可见分光光度法（可见分光光度法（UV-Vis）红外光谱法（红外光谱法（IR）分子荧光光谱法（分子荧光光谱法（MFS）分子磷光光谱法（分子磷光光谱法（MPS）等）等本章主要介绍光谱法本章主要介绍光谱法 光谱法光谱法（基于产生光（基于产生光谱的物质基础）谱的物质基础）原子原子光谱法光谱法:分子分子光谱法光谱法:原

11、子发射光谱法（原子发射光谱法（AES）原子吸收光谱法（原子吸收光谱法（AAS）原子荧光光谱法（原子荧光光谱法（AFS）X射线荧光光谱法（射线荧光光谱法（XFS）等）等由由原子外层或内层电子原子外层或内层电子 能级的变能级的变 化产生的，表现形式为化产生的，表现形式为线光谱线光谱。由由 分子中电子能级、振动和转动能分子中电子能级、振动和转动能级级的变化产生，表现形式为的变化产生，表现形式为带光谱带光谱。光谱法光谱法（基于产生光（基于产生光谱的方式不同）谱的方式不同）发射光谱法发射光谱法:吸收光谱法：吸收光谱法：物质通过电、热或光致激发等激发过物质通过电、热或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态

12、原子或分子程获得能量，变为激发态原子或分子M*，当从激发态过渡到低能态或基，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。态时产生发射光谱。通过测量物质的通过测量物质的通过测量物质的通过测量物质的发射光谱的波长和强度进行定性和定发射光谱的波长和强度进行定性和定发射光谱的波长和强度进行定性和定发射光谱的波长和强度进行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。量分析的方法叫做发射光谱分析法。量分析的方法叫做发射光谱分析法。量分析的方法叫做发射光谱分析法。当物质所吸收的电磁辐射能与该物当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足级间跃迁

13、所需的能量满足E=hv的关系时，将产生吸收光谱。的关系时，将产生吸收光谱。通过通过通过通过测量物质的吸收光谱的波长和强度测量物质的吸收光谱的波长和强度测量物质的吸收光谱的波长和强度测量物质的吸收光谱的波长和强度进行定性和定量分析的方法叫做吸进行定性和定量分析的方法叫做吸进行定性和定量分析的方法叫做吸进行定性和定量分析的方法叫做吸收光谱分析法。收光谱分析法。收光谱分析法。收光谱分析法。光光谱谱仪仪（或或分分光光光光度度计计）一一般般包包括括五五个个基基本本单单元元：光光源源、单单色色器器、样样品品容容器器、检测器和读出器件检测器和读出器件。光源光源单色器单色器样品池样品池检测器检测器读出器件读出

14、器件2.5光谱分析仪器光谱分析仪器光源光源提供能量，使样品产生光谱。提供能量，使样品产生光谱。（1）紫外光源）紫外光源 主要采用氢灯和或氘灯。主要采用氢灯和或氘灯。光谱范围为光谱范围为160375 nm。（2）可见光源）可见光源 可见光区最常见的光源是钨丝灯。可见光区最常见的光源是钨丝灯。光谱波长范围为光谱波长范围为320 2500nm。（3）红外光源）红外光源 用电加热到温度在用电加热到温度在1500 2000K之间的惰性固体之间的惰性固体（硅碳棒），光强最大的区域在（硅碳棒），光强最大的区域在6000 5000cm-1单色器的主要作用是将复合光分解成单色光或有一定单色器的主要作用是将复合光

15、分解成单色光或有一定宽度的谱带。单色器由入射狭缝和出射狭缝、准直镜宽度的谱带。单色器由入射狭缝和出射狭缝、准直镜以及色散元件，如棱镜或光栅等组成。以及色散元件，如棱镜或光栅等组成。单色器单色器分光元件（分光元件（1 1）棱镜：棱镜：依据不同波长光通过棱镜时有不同的依据不同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。折射率而将不同波长的光分开。玻璃：玻璃：3503200nm石英：石英：1854000nm单色单色器器入射狭缝入射狭缝准直透镜准直透镜棱镜棱镜聚焦透镜聚焦透镜出射狭缝出射狭缝白光白光红红紫紫1 12 2光栅：光栅：在在镀铝的玻璃表面镀铝的玻璃表面刻有数量很大刻有数量很大的等宽等

16、间距条痕。的等宽等间距条痕。平面透射光栅平面透射光栅反射光栅（广泛使用）反射光栅（广泛使用）原理：利用光通过光栅时发生原理：利用光通过光栅时发生衍射和干涉衍射和干涉衍射和干涉衍射和干涉现象而分光。现象而分光。分光元件（分光元件（2 2）反射光栅反射光栅：紫外、可见：紫外、可见：600、1200、2400条条/mm红外红外2030条条/mmIRISAdvantage中阶梯光栅分光系统（实物图）中阶梯光栅分光系统（实物图）样品池样品池在紫外光区工作时，采用在紫外光区工作时，采用石英石英材料；材料；可见光区，则用可见光区，则用硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃；红外光区，则可根据不同的波长范围选红外光区，则可根据

17、不同的波长范围选 用不同材料的用不同材料的晶体制成吸收池的窗口晶体制成吸收池的窗口。一般由光透明的材料制成。一般由光透明的材料制成。光信号转换成电信号光信号转换成电信号检测器检测器光电转换器光电转换器硒光电池（硒光电池（Barrier-layerphotocell）适用于适用于300-800nm,在在500-600nm范围最灵敏。范围最灵敏。Se阴极阴极Au，Ag半导体半导体h 阳极阳极光电管光电管(phototube)(phototube)h（片）（片）红敏管红敏管625-1000nm蓝敏管蓝敏管200-625nm光电倍增管光电倍增管待扫描160-700nm1个光子可产生个光子可产生106107个电子个电子由检测器将光信号转换成电信号后，由检测器将光信号转换成电信号后，可用检流计、微安计数字显示器等显可用检流计、微安计数字显示器等显示和记录结果。示和记录结果。读出器件读出器件 教学要求教学要求n n了解光学分析法的分类，掌握光学分了解光学分析法的分类，掌握光学分析法的基本特性。析法的基本特性。n n了解光谱分析法的仪器结构，了解单了解光谱分析法的仪器结构，了解单色器的分光特征。色器的分光特征。