第二章 电磁辐射与谱学基础优秀课件.ppt
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1、第二章 电磁辐射与谱学基础第1页,本讲稿共35页 光是由光是由可见光和不可见光可见光和不可见光组成的。组成的。一、光是一种电磁波一、光是一种电磁波 光光波波可可以以用用一一个个振振荡荡电电场场和和磁磁场场来来描描述述。光光的的波波动动性性质质可可根根据据相相互互垂垂直直的的电电场场矢矢量量(E E)和和磁磁场场矢矢量量(H H)来来解解释释,两两者者都都是是正正弦弦波波,且且都都垂垂直于波的传导方向。直于波的传导方向。二电磁波具有波粒二象性二电磁波具有波粒二象性 电磁辐射是高速通过空间传播的光子流,具有电磁辐射是高速通过空间传播的光子流,具有波动性和微粒性。波动性和微粒性。Planck认认为为
2、,辐辐射射能能的的发发射射或或吸吸收收不不是是连连续续的的,而而是是量量子子化化的的。辐射能的最小单位即为辐射能的最小单位即为“光子光子”。第2页,本讲稿共35页辐射能辐射能普朗克常数普朗克常数6.62610-34J s波数波数(cm-1):1厘米所拥有厘米所拥有波的数量波的数量光光子子的的能能量量单单位位:电电子子伏伏特特(eV)或或焦焦耳耳(J)表表示示。1eV=1.602 10-19J,1eV表示一个电子在经过电位差为表示一个电子在经过电位差为1V的电场时所获得的能量的电场时所获得的能量。结结论论:一一定定波波长长的的光光具具有有一一定定的的能能量量,波波长长越越长长(频频率率越越低低)
3、,光光量量子的能量越低子的能量越低。每个光子具有的能量每个光子具有的能量(E EL L)与频率及波长之间的关系:与频率及波长之间的关系:第3页,本讲稿共35页 按照经典物理学的观点,电磁辐射是在空间传播着的按照经典物理学的观点,电磁辐射是在空间传播着的交变电磁交变电磁场,场,称为称为电磁波电磁波。三、电磁辐射的定义和分类三、电磁辐射的定义和分类 以电磁辐射为分析信号的分析方法在广义上都称为以电磁辐射为分析信号的分析方法在广义上都称为光学分析法。红外光学分析法。红外-可见光、紫外、可见光、紫外、X射线等都是电磁辐射。射线等都是电磁辐射。波谱学(spectroscopy)涉及电磁辐射与物质量子化的
4、能态间的相互作用。理论基础是量子化的能量从辐射场向物质转移(或由物质向辐射场转移)。1、物质分子是由原子核和电子组成的。物质分子是由原子核和电子组成的。辐射电场辐射电场与物质分子间相互作用引起分子吸收辐射能,导致与物质分子间相互作用引起分子吸收辐射能,导致分子分子振动能级振动能级或或电子能级电子能级的改变。的改变。第4页,本讲稿共35页辐射磁场辐射磁场与物质分子间相互作用引起分子吸收辐射能,导致与物质分子间相互作用引起分子吸收辐射能,导致分子分子电子自旋能级电子自旋能级、核自旋能级核自旋能级的改变的改变。分分子子体体系系吸吸收收的的电电磁磁辐辐射射的的能能量量等等于于体体系系的的两两个个允允许
5、许状状态态能能级级的的能量差。能量差。E=E2E1=h 辐射能的波长或频率可表示为辐射能的波长或频率可表示为:=E/h =hc/E 第5页,本讲稿共35页 不不同同波波长长的的电电磁磁辐辐射射作作用用于于被被研研究究物物质质的的分分子子,可可引起分子内不同能级的改变,即引起分子内不同能级的改变,即发生不同的能级跃迁发生不同的能级跃迁。研研究究分分子子内内不不同同的的能能级级跃跃迁迁,可可采采用用不不同同的的波波谱谱或或光光谱谱技术。技术。2、波谱技术、波谱技术第6页,本讲稿共35页四、电磁波谱四、电磁波谱波谱区波长范围光子能量/eV(电子伏)能级跃迁类型波谱技术射线区X射线区远紫外区近紫外区可
6、见光区近红外区中红外区远红外区微波区射频区10-4 10-2 nm 0.00510 nm100200 nm200400 nm400800 nm0.782.5 m2.550 m501000 m0.150 cm50500 cm2.5105 2.5105 1.2 1021.2 102 6.26.23.13.11.71.70.50.50.0252.5 10-2 1.2 10-41.2 10-4 1.2 10-71.2 10-6 1.2 10-9原子核能级跃迁内层电子能级跃迁核外层电子能级跃迁(价电子或非键电子)分子转动-转动能级跃迁电子自旋能级跃迁核自旋能级跃迁穆斯堡尔谱电子能谱紫外光谱可见光谱红外光
7、谱纯转动光谱电子顺磁共振谱核磁共振谱电磁辐射对应的能级跃迁及波谱技术电磁辐射对应的能级跃迁及波谱技术 电磁辐射按照电磁辐射按照波长(或频率、波数、能量)波长(或频率、波数、能量)大小的顺序排列就得大小的顺序排列就得到到电磁波谱电磁波谱。第7页,本讲稿共35页(1)高能辐射区)高能辐射区:包括:包括 射线区和射线区和X射线区。射线区。(2)中能辐射区)中能辐射区:紫外区、可见光区和红外区。:紫外区、可见光区和红外区。由于对这部分辐射的研究和应用要使用一些共同的光学试验技术,例由于对这部分辐射的研究和应用要使用一些共同的光学试验技术,例如,用透镜聚焦,用棱镜或光栅分光等,故又称此光谱区为光学光谱区
8、。如,用透镜聚焦,用棱镜或光栅分光等,故又称此光谱区为光学光谱区。(3)低能辐射区)低能辐射区:微波区和射频区。又称:微波区和射频区。又称波谱区。波谱区。电磁波谱的分区:电磁波谱的分区:第8页,本讲稿共35页第二节第二节 X射线光谱射线光谱 用用高高能能粒粒子子(如如电电子子、质质子子)或或X X射射线线光光子子撞撞击击原原子子,原原子子内内层层(如如K K层)的一个电子被撞出,形成一个空穴使原子处于不稳定的受激态。层)的一个电子被撞出,形成一个空穴使原子处于不稳定的受激态。空空穴穴将将立立即即被被较较高高能能量量电电子子层层(如如L L层层)上上的的一一个个电电子子所所填填充充,在在此此电电
9、子子层层上上又又形形成成新新的的空空穴穴,该该新新的的空空穴穴又又能能由由能能量量更更高高的的电电子子层层(如如M M层)上的电子所填充,通过一系列的跃迁,直至受激原子回到基态。层)上的电子所填充,通过一系列的跃迁,直至受激原子回到基态。一、基本原理一、基本原理第9页,本讲稿共35页电子跃迁电子跃迁:LK,ML,NM内壳层之间的能级差大于外壳层之间的能级差内壳层之间的能级差大于外壳层之间的能级差。跃跃迁迁(除除无无辐辐射射跃跃迁迁外外)都都以以X射射线线的的形形式式放放出出能能量量,发发射射出出特特征征的的X射射线线光光谱。谱。主要以热的形式消主要以热的形式消耗能量耗能量二、二、X射线光谱的分
10、类射线光谱的分类第10页,本讲稿共35页1、X射线发射光谱射线发射光谱(X-ray emission spectrometry)受激原子发射出的受激原子发射出的X射线的波长为该原子射线的波长为该原子特征谱线特征谱线。特征谱线的特征谱线的波长波长取决于电子跃迁的始态和终态取决于电子跃迁的始态和终态不同的元素的特征谱线的波长不同不同的元素的特征谱线的波长不同特征谱线特征谱线强度强度正比于受激原子的数目(样品含量)正比于受激原子的数目(样品含量)可用于可用于定性(定性(波长波长)、定量()、定量(强度强度)分析。分析。2、X射线荧光光谱射线荧光光谱 (X-ray fluorescence spect
11、rometry)第11页,本讲稿共35页 来自来自X射线激发光源的一个光子被样品吸收射线激发光源的一个光子被样品吸收(撞出一个电子撞出一个电子),产生,产生一个在其内电子层有一空穴的正离子,当外电子层中的一个电子跃人该一个在其内电子层有一空穴的正离子,当外电子层中的一个电子跃人该空穴时,则发射一个空穴时,则发射一个X射线光子。射线光子。只有当初级辐射是由于吸收只有当初级辐射是由于吸收X X射线光子引起的辐射才是荧光射线光子引起的辐射才是荧光X X射线。射线。荧光辐射的波长比吸收辐射的波长长(即能量更低)。荧光辐射的荧光辐射的波长比吸收辐射的波长长(即能量更低)。荧光辐射的强度与样品中荧光物的浓
12、度成正比。强度与样品中荧光物的浓度成正比。3、扫描电镜、扫描电镜(scanning electron microscopy)分分为为扫扫描描电电子子显显微微镜镜(SEM)和和扫扫描描透透射射电电子子显显微微镜镜(scanning transmission electron microscopy,STEM)第12页,本讲稿共35页 SEM和和STEM均均为为固固定定能能量量的的电电子子束束通通过过样样品品表表面面扫扫描描,得得到到样样品品表表面面的直观图像的直观图像。对对各各种种材材料料的的物物质质表表面面形形貌貌进进行行观观察察,特特别别适适用用于于对对不不便便进进行行破破坏坏性性处处理理的的
13、块块状状样样品品,配配合合能能谱谱仪仪和和X射射线线仪仪可可以以对对各各种种元元素素进进行定性、定量分析。行定性、定量分析。扫描电子显微镜扫描电子显微镜扫描透射电子显微镜扫描透射电子显微镜第13页,本讲稿共35页 用用一一束束极极细细的的电电子子束束扫扫描描样样品品,在在样样品品表表面面激激发发出出次次级级电电子子,次次级级电电子子的的多多少少与与样样品品的的表表面面结结构构有有关关,次次级级电电子子由由探探测测体体收收集集,并并被被闪闪烁烁器器转转变变为为光光信信号号,再再经经光光电电倍倍增增管管和和放放大大器器转转变变为为电电信信号号来来控控制制荧荧光光屏屏上上电电子子束束的的强强度度,显
14、显示示出出与与电电子子束束同同步步的的扫扫描描图图像像。图像为立体形象,反映了样品的表面结构。图像为立体形象,反映了样品的表面结构。SEMSEM的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理第14页,本讲稿共35页纳米纳米ZnO的的SEM图图人类血细胞的人类血细胞的SEM照片照片 第15页,本讲稿共35页STEM是是在在真真空空条条件件下下,电电子子束束经经高高压压加加速速后后,穿穿透透样样品品时时形形成成散散射射电电子子和和透透射射电电子子,它它们们在在电电磁磁透透镜镜的的作作用用下下在在荧荧光屏上成像。光屏上成像。碳纳米管的碳纳米管的STEM成像成像 第16页,本讲稿共35页4、X射线单晶衍射仪
15、射线单晶衍射仪(X-ray single crystal diffractometer)晶晶体体具具有有周周期期性性的的点点阵阵结结构构,其其原原子子间间的的距距离离与与X射射线线的的波长在同一个数量级范围。晶体物质能够衍射波长在同一个数量级范围。晶体物质能够衍射X射线。射线。X射射线线单单晶晶结结构构分分析析是是利利用用X射射线线作作用用于于单单晶晶物物质质产产生生的的衍衍射射现现象象,通通过过实实验验测测得得衍衍射射方方向向和和衍衍射射强强度度,依依据据布布拉拉格格(Bragg)方方程程或或劳劳埃埃(Laue)方方程程,以以及及强强度度分分布布的的结结构构因因素素等等,解解出出晶晶胞胞参参
16、数数和和晶晶胞胞内内原原子子的的种种类类和和位位置置,从从而确定而确定晶体的结构晶体的结构。第17页,本讲稿共35页X射线四圆单晶衍射仪射线四圆单晶衍射仪5、X射线多晶衍射(射线多晶衍射(X射线粉末衍射射线粉末衍射,x-ray powder diffraction)第18页,本讲稿共35页 X X射射线线多多晶晶衍衍射射常常采采用用晶晶体体粉粉末末样样品品,以以保保证证有有足足够够多多的的晶晶体体产产生生衍衍射射。适适用用于于难难以以得得到到足足够够大大的的单单晶晶样样品品、混混合合样样品品或或某某些些高高分分子子样样品品的测试。获得粉末衍射图的方法有的测试。获得粉末衍射图的方法有照相法照相法
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