工科分析化學光學分析法導論隨堂講義

1、第第1212章章 光學分析法導論光學分析法導論 An Introduction to Optical Analysis 第第12章章 光學分析法導光學分析法導 論論 An Introduction to Optical Analysis 什么叫光學分析法？什么叫光學分析法？ 利用電磁輻射為利用電磁輻射為“探針探針”來探測物質(zhì)性質(zhì)來探測物質(zhì)性質(zhì) 、含量和結(jié)構(gòu)的方法。、含量和結(jié)構(gòu)的方法。 12-1 電磁輻射的基本特征電磁輻射的基本特征 12-2 輻射與物質(zhì)的相互作用輻射與物質(zhì)的相互作用 12-3 光學分析法的分類光學分析法的分類 12-4 光學光譜法的儀器光學光譜法的儀器 12-1 12-1 電磁

2、輻射的基本特征電磁輻射的基本特征 1 什么叫電磁波？什么叫電磁波？ 一種以巨大速度通過空間，不需要以任何物質(zhì)作為傳播媒介的一種以巨大速度通過空間，不需要以任何物質(zhì)作為傳播媒介的 能量形式，稱為能量形式，稱為電磁波電磁波。 在整個電磁輻射范圍內(nèi)，按波長或頻率的大小順序排列起來，在整個電磁輻射范圍內(nèi)，按波長或頻率的大小順序排列起來， 即為即為電磁波譜電磁波譜 電磁波的二重性電磁波的二重性 第第12章章 光學分析法導論光學分析法導論 2 波動性可用波性質(zhì)的波參數(shù)來描述波動性可用波性質(zhì)的波參數(shù)來描述 周期周期P （s） 頻率頻率 （s-1=Hz） =1/ P 波長波長 厘米厘米 微米微米 納米納米 埃

3、埃 cm m nm 10-2 m 10-6 m 10-9 m 10-10m 波數(shù)波數(shù) （cm-1） 稱為開瑟稱為開瑟(Kayser, K表示表示)=1/ 第第12章章 光學分析法導論光學分析法導論 12-1 電磁輻射的基本特征電磁輻射的基本特征 第第12章章 光學分析法導論光學分析法導論 12-1 電磁輻射的基本特征電磁輻射的基本特征 2 波動性可用波性質(zhì)的波參數(shù)來描述波動性可用波性質(zhì)的波參數(shù)來描述 “時時”域參數(shù)域參數(shù)周期周期 P 頻率頻率 “空空”域參數(shù)域參數(shù)波長波長 波數(shù)波數(shù) “時時”域參數(shù)與域參數(shù)與“空空”域參數(shù)的聯(lián)系域參數(shù)的聯(lián)系： 傳播速度傳播速度 V cm/s V= 真空中傳播真空

4、中傳播 速度速度c= (2.9979250.000001)1010cm/s 應該注意：頻率更能表征輻射的特征應該注意：頻率更能表征輻射的特征 頻率頻率 只決定于輻射源，而與介質(zhì)無關(guān)只決定于輻射源，而與介質(zhì)無關(guān) 波長波長 與傳播速度與傳播速度V、介質(zhì)（折射率介質(zhì)（折射率 n=c/V）有關(guān)有關(guān) 第第12章章 光學分析法導論光學分析法導論 12-1 電磁輻射的基本特征電磁輻射的基本特征 3 粒子性及普朗克關(guān)系式粒子性及普朗克關(guān)系式 粒子性粒子性 不連續(xù)的能量微粒不連續(xù)的能量微粒光子（光量子）光子（光量子） 能量能量 1 eV=1.602189210-19 J 常用每摩爾能量常用每摩爾能量 1 erg

5、=10-7 J=2.3901 10-8 Cal =6.2418 1011 eV 1 Cal=4.186 J 普朗克普朗克(Prank)關(guān)系式關(guān)系式 波動性波動性粒子性之間的粒子性之間的“橋橋” E = h = hc / 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) (6.62559 0.00015)10-34焦耳焦耳 秒秒(J s) 核躍 遷 磁場中自旋 取向 分子 轉(zhuǎn)動 分子 振動共價電子躍遷 內(nèi)層 電子 躍遷 -射線射線 X 射線射線 紫外紫外 可可 見見 光光 近近 紅紅 外外 中紅中紅 外外 遠紅外遠紅外 順磁共順磁共 振振 核核 磁磁 共共 振振 紅外波段微波波段射頻波段 10810710610510410

6、3102101110-110-210-3 10-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11 101 波數(shù)波數(shù) (cm-1) 波長波長 (m) 200 nm 800 nm 第第12章章 光學分析法導論光學分析法導論 12-1 電磁輻射的基本特征電磁輻射的基本特征 4 電磁波譜及分析方法電磁波譜及分析方法 電磁波譜區(qū)域電磁波譜區(qū)域 近紫外近紫外 第第12章章 光學分析法導論光學分析法導論 12-1 電磁輻射的基本特征電磁輻射的基本特征 4 電磁波譜及分析方法電磁波譜及分析方法 電磁波譜區(qū)域與相應的電磁波譜區(qū)域與相應的光譜分析方法光譜分析方法 光譜區(qū)域光譜區(qū)域 波

7、長范圍波長范圍 躍遷類型躍遷類型 光譜分析方法光譜分析方法 射線射線 0.001 0.1 核能級躍遷核能級躍遷 射線發(fā)射射線發(fā)射 法法 莫斯堡爾莫斯堡爾 法法 X射線射線 0. 1 100 原子內(nèi)原子內(nèi)層電子能級躍遷層電子能級躍遷 X-熒光、衍射法熒光、衍射法 電子能譜分析法電子能譜分析法 真空紫外真空紫外 10200nm 真空紫外吸收真空紫外吸收光譜法光譜法 紫外紫外 200400nm 外層電子及價電子能級外層電子及價電子能級 紫外可見吸收紫外可見吸收光譜法光譜法 可見可見 400800nm 外層電子及價電子能級外層電子及價電子能級 原子吸收、發(fā)射、熒光原子吸收、發(fā)射、熒光法法 分分子熒光子

8、熒光光譜法光譜法 近紅外近紅外 0.82.5m 分子振動能級分子振動能級 紅外吸收紅外吸收光譜光譜 法法 中紅外中紅外 2.550m 分子振動能級分子振動能級 拉曼拉曼光譜光譜 法法 遠紅外遠紅外 50300 m 分子轉(zhuǎn)動能級分子轉(zhuǎn)動能級 微波微波 0.31000mm 分子轉(zhuǎn)動、電子自旋能級分子轉(zhuǎn)動、電子自旋能級 微波吸收、電子順磁共振譜微波吸收、電子順磁共振譜 無線電波無線電波 1m 1000m 核自旋核自旋 核磁共振譜核磁共振譜 （單色光）入射（單色光）入射 法線法線 反射反射 I0 Ir i1 i2 空氣空氣 n n1 1 =1 =1 玻璃玻璃n n2 2 =1.5 =1.5 r r2

9、2 折射折射 折射折射: 斯涅爾（斯涅爾（Snell）折射定律）折射定律 n2Sinr2 = n1Sini1 反射反射: 入射角入射角i1 = 反射角反射角i2 反射的反射率反射的反射率 = Ir / I0= (n2 - n1)2/ (n2 + n1)2 i i1 16060時時 變化不大變化不大 12-2 12-2 電磁波與物質(zhì)的相互作用電磁波與物質(zhì)的相互作用 第第12章章 光學分析法導論光學分析法導論 全反射：全反射： Sini2n1/n2時出現(xiàn)時出現(xiàn) i2超過某一值時，超過某一值時， 便發(fā)生全反射便發(fā)生全反射, 此角稱臨界角此角稱臨界角 服從反射定律服從反射定律 僅出現(xiàn)在折射率較高的介質(zhì)

10、中。僅出現(xiàn)在折射率較高的介質(zhì)中。 色散：折射率色散：折射率n 隨頻率隨頻率 而變而變 ，復合光的折射角隨頻率，復合光的折射角隨頻率 而改變而改變 n 正常正常色散色散 適宜制作適宜制作透鏡透鏡 n 反常反常色散色散 適宜制作適宜制作棱鏡棱鏡 第第12章章 光學分析法導論光學分析法導論 12-2 電磁波與物質(zhì)的相互作用電磁波與物質(zhì)的相互作用 干涉：兩個波疊加時，組合波的振幅是組份波的矢量和干涉：兩個波疊加時，組合波的振幅是組份波的矢量和 同相位組合波相長同相位組合波相長 相位差相位差1800組合波相消組合波相消 衍射：干涉現(xiàn)象的結(jié)果衍射：干涉現(xiàn)象的結(jié)果 平行單色光通過狹縫時平行單色光通過狹縫時

11、, 可在透鏡后，屏幕上看到可在透鏡后，屏幕上看到 明明 暗交替的衍射條紋暗交替的衍射條紋 第第12 章章 光學分析法導論光學分析法導論 12-2 電磁波與物質(zhì)的相互作用電磁波與物質(zhì)的相互作用 散射：散射： 瑞利瑞利(Rayleigh)散射散射 強度同波長的四次方成反比強度同波長的四次方成反比 頻率不改變頻率不改變 拉曼拉曼(Raman)散射散射 量子化的頻率改變量子化的頻率改變 吸收：吸收： 發(fā)射：發(fā)射： 能級間躍遷能級間躍遷 滿足滿足E=h 高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）Ei 吸收吸收 發(fā)射發(fā)射 能級能級 h h 能級的簡并能級的簡并 低能態(tài)（基態(tài)）低能態(tài)（基態(tài)）E0 躍遷躍遷 光譜光譜

12、第第12章章 光學分析法導論光學分析法導論 12-2 電磁波與物質(zhì)的相互作用電磁波與物質(zhì)的相互作用 物質(zhì)物質(zhì)輻射能輻射能 相互作用為基礎相互作用為基礎 折射折射 非光譜法非光譜法 反射反射 不涉及能級間的躍遷不涉及能級間的躍遷 色散色散 只改變傳播方向、速度只改變傳播方向、速度 散射散射 相應方法相應方法 光學分析法光學分析法 或某些物理性質(zhì)或某些物理性質(zhì) 干涉干涉 衍射衍射 旋光旋光 光譜法光譜法能級躍遷能級躍遷波長和強度波長和強度 第第12章章 光學分析法導論光學分析法導論 12-2 電磁波與物質(zhì)的相互作用電磁波與物質(zhì)的相互作用 按電磁輻射的物質(zhì)對象按電磁輻射的物質(zhì)對象 分子光譜分子光譜

13、原子光譜原子光譜 按電磁輻射的能量傳遞方式按電磁輻射的能量傳遞方式 光譜法光譜法 吸收、發(fā)射、熒光、拉曼光譜吸收、發(fā)射、熒光、拉曼光譜 按電磁輻射的量子躍遷類型格按電磁輻射的量子躍遷類型格 核能級譜，核能級譜， 電子、振動、轉(zhuǎn)動光譜，電子、振動、轉(zhuǎn)動光譜， 電子自旋及核自旋譜電子自旋及核自旋譜 按電磁輻射的能量大小按電磁輻射的能量大小 相關(guān)方法簡介，見教材相關(guān)方法簡介，見教材 12-3 12-3 光學分析法的分類光學分析法的分類 第第12章章 光學分析法導論光學分析法導論 按電磁輻射的能量大小 光譜區(qū)域光譜區(qū)域 波長范圍波長范圍 躍遷類型躍遷類型 光譜分析方法光譜分析方法 射線射線 0.001

14、 0.1 核能級躍遷核能級躍遷 射線發(fā)射射線發(fā)射 法法 莫斯堡爾莫斯堡爾 法法 X射線射線 0. 1 100 原子內(nèi)原子內(nèi)層電子能級躍遷層電子能級躍遷 X-熒光、衍射法熒光、衍射法 電子能譜分析法電子能譜分析法 真空紫外真空紫外 10200nm 真空紫外吸收真空紫外吸收光譜法光譜法 紫外紫外 200400nm 外層電子及價電子能級外層電子及價電子能級 紫外可見吸收紫外可見吸收光譜法光譜法 可見可見 400800nm 外層電子及價電子能級外層電子及價電子能級 原子吸收、發(fā)射、熒光原子吸收、發(fā)射、熒光法法 分分子熒光子熒光光譜法光譜法 近紅外近紅外 0.82.5m 分子振動能級分子振動能級 紅外吸收紅外吸收光譜光譜 法法 中紅外中紅外 2.550m 分子振動能級分子振動能級 拉曼拉曼光譜光譜 法法 遠紅外遠紅外 50300 m 分子轉(zhuǎn)動能級分子轉(zhuǎn)動能級 微波微波 0.31000mm 分子轉(zhuǎn)動、電子自旋能級分子轉(zhuǎn)動、電子自旋能級 微波吸收、電子順磁共振譜微波吸收、電子順磁共振譜 無線電波無線電波 1m 1000m 核自旋核自旋 核磁共振譜核磁共振譜 電磁波譜區(qū)域與相應的光譜分析方法電磁波譜區(qū)域與相應的光譜分析方法 三種類型光譜儀器的總體結(jié)構(gòu)