第二章光分析导论优秀PPT.ppt

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1、二、光的性质及与物质的相互作用二、光的性质及与物质的相互作用 1.1.光光电磁辐射（电磁波）电磁辐射（电磁波）:是一种以极大的是一种以极大的速度通过空间，而不须要以任何物质作为传播媒介速度通过空间，而不须要以任何物质作为传播媒介的能量形式。的能量形式。电磁波在真空中的传播速度是电磁波在真空中的传播速度是2.99792 X 108 2.99792 X 108 m/sm/s （1）电磁波的性质：电磁波具有波动性和粒子性）电磁波的性质：电磁波具有波动性和粒子性即即“波波粒粒二二象象性性”。波动性波动性电磁辐射是在空间传播着的交变电磁场，可以用电磁辐射是在空间传播着的交变电磁场，可以用频率频率()、波

2、长、波长()和波数和波数()等波参数表征。等波参数表征。频率：频率：1秒钟内，通过传播方向上某一点的波峰或波谷的数目，秒钟内，通过传播方向上某一点的波峰或波谷的数目，单位：单位：s-1(Hz)；波长：相邻波峰（或者相邻波上随意两个相同点）之间的距离波长：相邻波峰（或者相邻波上随意两个相同点）之间的距离 =c/,c 为光速，单位：为光速，单位：m,cm,m,nm,等。附图等。附图波数：在波的传播方向上单位长度内波的数目，波数：在波的传播方向上单位长度内波的数目，=1/,单位：单位：cm-12022/11/5粒子性粒子性光可以被看作是具有确定能量的粒子流；光可以被看作是具有确定能量的粒子流；这种粒

3、子称为光子或光量子。这种粒子称为光子或光量子。普朗克方程：普朗克方程：该方程将电磁辐射的波动性和粒子性联系起来该方程将电磁辐射的波动性和粒子性联系起来E，光子能量；，光子能量；h，普朗克常量，普朗克常量，6.62610-34JS留意：留意：频率更能表征辐射的特征频率更能表征辐射的特征频率频率只确定于辐射源，而与介质无关只确定于辐射源，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）有关越大波动性越强，越大波动性越强，E越大粒子性越强越大粒子性越强2022/11/5核跃迁磁场中自旋取向分子转动分子振动共价电子跃迁内层电子跃迁波数波数(cm-1)波长波长(m

4、)200 nm 800 nm电磁波谱区域电磁波谱区域近近紫紫外外电磁波普电磁波普电磁辐射依据波长的长短排列起来。电磁辐射依据波长的长短排列起来。2022/11/5电磁波谱区域与相应的光谱分析方法电磁波谱区域与相应的光谱分析方法光谱区域光谱区域波长范围波长范围跃迁类型跃迁类型光谱光谱分析方法分析方法 射线射线0.0010.1核能级跃迁核能级跃迁 射线放射射线放射法法莫斯堡尔莫斯堡尔法法X射线射线0.1100原子內层电子能级跃迁原子內层电子能级跃迁X-荧光、衍射法荧光、衍射法电子能谱分析法电子能谱分析法真空紫外真空紫外10200nm真空紫外吸取光谱法真空紫外吸取光谱法紫外紫外200400nm外层电

5、子及价电子能级外层电子及价电子能级紫外可见吸取光谱法紫外可见吸取光谱法可见可见400800nm外层电子及价电子能级外层电子及价电子能级原原子吸取、放射、荧光法子吸取、放射、荧光法分分子荧光光谱法子荧光光谱法近红外近红外0.82.5m分子振动能级分子振动能级红外吸取光谱红外吸取光谱法法中红外中红外2.550m分子振动能级分子振动能级拉曼光谱拉曼光谱法法远红外远红外50300 m分子转动能级分子转动能级微波微波0.31000mm分子转动、电子自旋能级分子转动、电子自旋能级微波微波吸取、电子顺磁共振谱吸取、电子顺磁共振谱无线电波无线电波1m1000m核自旋核自旋核磁共振谱核磁共振谱2022/11/5

6、能谱分析法能谱分析法波长小于波长小于10nm，能量大于，能量大于102eV的电磁波谱，的电磁波谱，粒子性明显，称为能谱，由此建立的分析方法粒子性明显，称为能谱，由此建立的分析方法称为能谱分析法。称为能谱分析法。如，如，X射线衍射技术、射线衍射技术、X射线射线光电子能谱技术。光电子能谱技术。X射射线线衍衍射射分分析析（X-raydiffraction，简简称称XRD），是是利利用用晶晶体体形形成成的的X射射线线衍衍射射，对对物物质质进进行行内内部部原原子子在在空空间间分分布布状状况况的的结结构构分分析析方方法法。将将具具有有确确定定波波长长的的X射射线线照照射射到到结结晶晶性性物物质质上上时时，

7、X射射线线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射.散散射射的的X射射线线在在某某些些方方向向上上相相位位得得到到加加强强，从从而而显显示示与与结结晶晶结结构构相相对对应应的的特特有有的的衍衍射射现现象象。X射射线线衍衍射射方方法法具具有有不不损损伤伤样样品品、无无污污染染、快快捷捷、测测量量精精度度高高、能能得得到到有有关关晶晶体体完完整整性性的的大大量量信信息息等等优优点。点。2022/11/5波谱分析法波谱分析法波长大于波长大于1mm，能量小于，能量小于10-3eV的电磁波谱，的电磁波谱，波动性明显，称为波谱，由此建立的分析方法波动性明显，

8、称为波谱，由此建立的分析方法称为波谱分析法。称为波谱分析法。如核磁共振波谱如核磁共振波谱 光谱分析法光谱分析法波长及能量介于上述两种波谱之间的电磁波谱波长及能量介于上述两种波谱之间的电磁波谱通常借助于光学仪器获得，称为光学光谱，由通常借助于光学仪器获得，称为光学光谱，由此建立的分析方法称为光谱分析法。此建立的分析方法称为光谱分析法。2022/11/5复色光与单色光复色光与单色光复色光复色光包含多种频率成分的光；包含多种频率成分的光；单色光单色光接受确定方法获得的只包含一种频率接受确定方法获得的只包含一种频率成分的光。成分的光。一般分析方法所获得的单色光往往不只包含一种频率成分；一般分析方法所获

9、得的单色光往往不只包含一种频率成分；光谱线的宽度（或半宽度）光谱线的宽度（或半宽度）表示单色光的单色性；表示单色光的单色性；谱线宽度越窄，光谱线所包含的频率（或波长）范围越窄；谱线宽度越窄，光谱线所包含的频率（或波长）范围越窄；表示单色性越好。表示单色性越好。如，太阳光中红色光的波长范围是如，太阳光中红色光的波长范围是640680nm，金属钠蒸汽放射的黄光波长范围是金属钠蒸汽放射的黄光波长范围是589.0589.6nm，氦氖激光器放射的红光波长为氦氖激光器放射的红光波长为632.8nm，宽度只有，宽度只有10-6nm2022/11/5光的互补：若两种不同颜色的单色光按确定的强度比例混合光的互补

10、：若两种不同颜色的单色光按确定的强度比例混合得到白光（无色的光），那么就称这两种单色光为互补色光，得到白光（无色的光），那么就称这两种单色光为互补色光，这种现象称为光的互补。这种现象称为光的互补。蓝黄紫红绿紫黄绿绿蓝橙红蓝绿2022/11/5光与物质的作用光与物质的作用光的吸取、放射光的吸取、放射光的吸取光的吸取光与物质接触时，某些频率的光被光与物质接触时，某些频率的光被选择性吸取并使其强度减弱，叫物质对光的吸取；选择性吸取并使其强度减弱，叫物质对光的吸取；只有单色光才符合只有单色光才符合Lambert-Beer定律定律 K，比例常数，与介质的性质、温度及入射光波长有关；，比例常数，与介质的性

11、质、温度及入射光波长有关；当当c以以mol/L表表示示，L以以cm表表示示时时，K称称为为摩摩尔尔吸吸取取系系数数，用用表表示示，单单位位为为L/mol/cm；在在特特定定波波长长（或或频频率率）及及介介质质下下，是是在在确确定定温温度度下下光光吸吸取取物物质质的的一一个个特特征常数，是该物质光吸取实力的量度。征常数，是该物质光吸取实力的量度。2022/11/5光分析仪器的基本单元：光分析仪器的基本单元：1.1.光源：需具有确定强度与稳定性；可分为连续光源与线光源光源：需具有确定强度与稳定性；可分为连续光源与线光源2022/11/52.单色器：包括色散元件（光栅和棱镜）、狭缝、准直镜等，单色器

12、：包括色散元件（光栅和棱镜）、狭缝、准直镜等，作用是将复色光色散成光谱带，以供应光谱带或作用是将复色光色散成光谱带，以供应光谱带或单色光。单色光。2022/11/5（1）棱镜）棱镜由一块左旋石英和一块右旋石英组成的三棱体，由一块左旋石英和一块右旋石英组成的三棱体，顶角顶角60度。度。一一束束平平行行复复合合光光经经过过棱棱镜镜分分光光后后，形形成成按按波波长长依依次次排排列列的的光光谱谱带带，聚聚焦焦后后再再焦焦面面上上的的不不同同位位置置成成像像，依依次次通通过过狭狭缝缝，即即可可获获得得不不同同波长的单色光。波长的单色光。棱镜对不同波长的光具有不同的折射率；棱镜对不同波长的光具有不同的折射

13、率；因此由棱镜获得的是非匀整排列光谱。因此由棱镜获得的是非匀整排列光谱。2022/11/5（2）光光栅栅是是利利用用多多缝缝衍衍射射原原理理使使光光发发生生色色散散(分分解解为为光光谱谱)的的光学元件。光学元件。最最早早的的光光栅栅是是18211821年年由由德德国国科科学学家家J.J.夫夫琅琅和和费费用用细细金金属属丝丝密密排排地地绕绕在在两两平平行行细细螺螺丝丝上上制制成成的的。因因形形如如栅栅栏栏，故故名名为为“光光栅栅”。现现代代光光栅栅是是用用精精密密的的刻刻划划机机在在玻玻璃璃或或金金属属片片上上刻刻划划上上大大量量平平行行等等宽宽、等等距距狭狭缝缝(刻刻线线)的的平平面玻璃或金属

14、片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条；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；2022/11/53.狭缝：包括入射狭缝和出射狭缝；由两片精密加工的、具有狭缝：包括入射狭缝和出射狭缝；由两片精密加工的、具有锋利边缘的金属片组成，两边必需保持相互平行并位锋利边缘的金属片组成，两边必需保持相互平行并位于同一平面上。于同一平面上。单单色色器器的的入入射射狭狭缝缝起起着着系系统统的的虚虚拟拟光光源源的的作作用用，经经色色散散后后的的不不同同波波长长的的单单色色平平行行光光束束(光光谱谱)由由物物镜镜聚聚焦焦在在出出射射狭狭缝缝的的平平面面上上，调调整狭缝宽度，可限制光强。整

15、狭缝宽度，可限制光强。4.检测器：大多接受光检测器与热检测器，将光信号转变为易检测器：大多接受光检测器与热检测器，将光信号转变为易检测的电信号。检测的电信号。2022/11/5光光谱谱法法：以以能能源源与与物物质质相相互互引引起起原原子子、分分子子内内部部量量子子化化能能级级之之间间“跃跃迁迁”所所产产生生的的光光的的吸吸取取、放放射射、散散射射等等波波长长与与强强度度的的变变更更关关系系为为基础的光分析法。基础的光分析法。原子放射光谱仪原子放射光谱仪火焰原子吸取光谱仪火焰原子吸取光谱仪2022/11/51.光谱产生的原理光谱产生的原理分分子子中中包包含含有有原原子子和和电电子子；分分子子、原

16、原子子、电电子子都都是是运运动动着着的的物物质质，都都具具有有能能量量，这这些些能能量量都都是是量量子子化化的的；在在确确定定的的条条件件下下，分分子子处处于于确确定定的的运运动状态，物质分子内部运动状态有三种形式：动状态，物质分子内部运动状态有三种形式：电子运动：电子绕原子核作相对运动电子运动：电子绕原子核作相对运动电子能级；电子能级；原子运动：分子中原子或原子团在其平衡位置上作相对振动原子运动：分子中原子或原子团在其平衡位置上作相对振动振动能振动能级；级；分子转动：整个分子绕其重心作旋转运动分子转动：整个分子绕其重心作旋转运动 转动能级转动能级2022/11/5 物物质质粒粒子子吸吸取取某

17、某种种特特定定的的光光子子后后，由由某某低低能能级级跃跃迁迁到到某某高高能能级级，把把物物质质对对光光的的吸吸取取状状况况依依据据波波长长的的次次序序排排列列记记录录下下来来，就得到就得到“吸取光谱吸取光谱”；吸吸取取了了能能量量的的粒粒子子由由高高能能级级跃跃迁迁到到低低能能级级时时，以以光光辐辐射射形形式式释释放放出出多多余余的的能能量量，把把光光的的放放射射依依据据波波长长的的次次序序排排列列记记录录下来，就得到下来，就得到“放射光谱放射光谱”；分子中的电子能级差分子中的电子能级差E电电约为约为419KJ/mol;同一电子能级中，振动能级差同一电子能级中，振动能级差E振振约为约为21KJ

18、/mol;同一振动能级中，转动能级差同一振动能级中，转动能级差E转转约为约为0.042KJ/mol;仅发生转动能级跃迁时，产生远红外吸取光谱；仅发生转动能级跃迁时，产生远红外吸取光谱；发生振动能级跃迁时，产生红外吸取光谱（振动光谱）；发生振动能级跃迁时，产生红外吸取光谱（振动光谱）；发生电子能级跃迁时，产生紫外吸取光谱（电子光谱）发生电子能级跃迁时，产生紫外吸取光谱（电子光谱）2022/11/52022/11/52022/11/5放射光谱的特征是在暗背景上有光明的谱线或谱区；放射光谱的特征是在暗背景上有光明的谱线或谱区；吸取光谱的特征则是在连续的亮背景上有暗线或暗区。吸取光谱的特征则是在连续的

19、亮背景上有暗线或暗区。原原子子光光谱谱是是由由于于原原子子外外层层或或内内层层电电子子能能级级的的跃跃迁迁所所产产生生的的光光谱谱，它它的表现形式为线状光谱。的表现形式为线状光谱。由由于于原原子子没没有有振振动动和和转转动动能能级级，原原子子光光谱谱主主要要是是电电子子能能级级跃跃迁迁产产生生的的，不不会会叠叠加加振振动动和和转转动动能能级级跃跃迁迁，因因此此放放射射或或吸吸取取的的是是一一些些频频率率（或或波波长长）不连续的辐射，相应的原子光谱就是一条一条彼此分开的线光谱。不连续的辐射，相应的原子光谱就是一条一条彼此分开的线光谱。2022/11/5分子光谱分子光谱是由于分子中电子能级、振动和转动能级的跃迁是由于分子中电子能级、振动和转动能级的跃迁所产生的光谱，其表现形式为带状光谱。所产生的光谱，其表现形式为带状光谱。分子的电子能级比振动能级高，振动能级比转动能级高，当外分子的电子能级比振动能级高，振动能级比转动能级高，当外界能量引起分子的电子能级跃迁时必定同时伴随振动能级跃迁，界能量引起分子的电子能级跃迁时必定同时伴随振动能级跃迁，以及转动能级跃迁；因此，分子光谱不是一条条线状谱线，而以及转动能级跃迁；因此，分子光谱不是一条条线状谱线，而是带状的，如分子的紫外和可见光谱就是带状光谱。是带状的，如分子的紫外和可见光谱就是带状光谱。2022/11/5