第12分析法導(dǎo)論

1、第第1212章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論 An Introduction to Optical Analysis 1第第12章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論 An Introduction to Optical Analysis 什么叫什么叫光學(xué)分析法？光學(xué)分析法？利用電磁輻射為利用電磁輻射為“探針探針”來(lái)探測(cè)物質(zhì)性質(zhì)、來(lái)探測(cè)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(xué)分析法的分類光學(xué)分析法的分類 12-4 光學(xué)光譜法的儀器光學(xué)光譜法的儀器 212-1 12-1 電磁輻

2、射的基本特征電磁輻射的基本特征 1 什么叫什么叫電磁波？電磁波？ 一種以巨大速度通過(guò)空間，不需要以任何物質(zhì)一種以巨大速度通過(guò)空間，不需要以任何物質(zhì)作為傳播媒介的能量形式，稱為作為傳播媒介的能量形式，稱為電磁波電磁波。在整個(gè)電磁輻射范圍內(nèi)，按波長(zhǎng)或頻率的大小在整個(gè)電磁輻射范圍內(nèi)，按波長(zhǎng)或頻率的大小順序排列起來(lái)，即為順序排列起來(lái)，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(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論32 波動(dòng)性可用波性質(zhì)的波參數(shù)來(lái)描述波動(dòng)性可用波性質(zhì)的波參數(shù)來(lái)描述 周期周期P （s） 頻率頻率 （s-1=Hz） =1/ P 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 厘米厘米 微米微米 納米納米 埃埃 cm

3、 m nm 10-2 m 10-6 m 10-9 m 10-10m 波數(shù)波數(shù) （cm-1） 稱為開(kāi)瑟稱為開(kāi)瑟(Kayser, K表示表示)=1/ 第第12章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論 12-1 電磁輻射的基本特征電磁輻射的基本特征 4第第12章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論 12-1 電磁輻射的基本特征電磁輻射的基本特征2 波動(dòng)性可用波性質(zhì)的波參數(shù)來(lái)描述波動(dòng)性可用波性質(zhì)的波參數(shù)來(lái)描述 “時(shí)時(shí)”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(zhǎng)波長(zhǎng) 波數(shù)波數(shù)“時(shí)時(shí)”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= 真空中傳播真空中傳播 速

4、度速度c= (2.9979250.000001)1010cm/s 應(yīng)該注意：頻率更能表征輻射的特征應(yīng)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(wú)關(guān)只決定于輻射源，而與介質(zhì)無(wú)關(guān) 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 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)5第第12章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)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=10-7 J

5、=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(dòng)性波動(dòng)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)6核躍遷磁場(chǎng)中自旋取向分子轉(zhuǎn)動(dòng)分子振動(dòng)共價(jià)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(jiàn)見(jiàn)光光近近紅紅外外中紅中紅外外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)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108107106105104103102101110-110-210-310-1010-910-810-

6、710-610-510-410-310-210-11 101波數(shù)波數(shù)(cm-1)波長(zhǎng)波長(zhǎng)(m)200 nm 800 nm第第12章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)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7第第12章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)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(yīng)的電磁波譜區(qū)域與相應(yīng)的光譜分析方法光譜分析方法光譜區(qū)域光譜區(qū)域 波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)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(jí)躍

7、遷核能級(jí)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(jí)躍遷層電子能級(jí)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(jià)電子能級(jí)外層電子及價(jià)電子能級(jí) 紫外可見(jiàn)吸收紫外可見(jiàn)吸收光譜法光譜法 可見(jiàn)可見(jiàn) 400800nm 外層電子及價(jià)電子能級(jí)外層電子及價(jià)電子能級(jí) 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(dòng)能級(jí)分子振動(dòng)能級(jí) 紅外吸收紅外吸收光譜光譜

8、法法中紅外中紅外 2.550m 分子振動(dòng)能級(jí)分子振動(dòng)能級(jí) 拉曼拉曼光譜光譜 法法 遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外 50300 m 分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí) 微波微波 0.31000mm 分子轉(zhuǎn)動(dòng)、電子自旋能級(jí)分子轉(zhuǎn)動(dòng)、電子自旋能級(jí) 微波吸收、電子順磁共振譜微波吸收、電子順磁共振譜無(wú)線電波無(wú)線電波 1m 1000m 核自旋核自旋 核磁共振譜核磁共振譜 8 （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 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 = n1Si

9、ni1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(shí)時(shí) 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(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論9全反射：全反射： Sini2n1/n2時(shí)出現(xiàn)時(shí)出現(xiàn) i2超過(guò)某一值時(shí)，超過(guò)某一值時(shí)， 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)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(fù)合光的折射角隨頻率

10、，復(fù)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(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)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10 干涉：兩個(gè)波疊加時(shí)，組合波的振幅是組份波的矢量和干涉：兩個(gè)波疊加時(shí)，組合波的振幅是組份波的矢量和 同相位組合波相長(zhǎng)同相位組合波相長(zhǎng) 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(guò)狹縫時(shí)平行單色光通過(guò)狹縫時(shí) , 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

11、光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)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11散射：散射： 瑞利瑞利(Rayleigh)散射散射 強(qiáng)度同波長(zhǎng)的四次方成反比強(qiáng)度同波長(zhǎng)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(jí)間躍遷能級(jí)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(jí)能級(jí) h h 能級(jí)的簡(jiǎn)并能級(jí)的簡(jiǎn)并低能態(tài)（基態(tài)）低能態(tài)（基態(tài)）E0 躍遷躍遷 光譜光譜 第第12章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)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12 物質(zhì)

12、物質(zhì)輻射能輻射能 相互作用為基礎(chǔ)相互作用為基礎(chǔ) 折射折射 非光譜法非光譜法 反射反射 不涉及能級(jí)間的躍遷不涉及能級(jí)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(yīng)方法相應(yīng)方法光學(xué)分析法光學(xué)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(jí)躍遷能級(jí)躍遷波長(zhǎng)和強(qiáng)度波長(zhǎng)和強(qiáng)度 第第12章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)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13 按電磁輻射的物質(zhì)對(duì)象按電磁輻射的物質(zhì)對(duì)象 分子光譜分子光譜 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

13、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(jí)譜，核能級(jí)譜， 電子、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，電子、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)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(jiǎn)介，見(jiàn)教材相關(guān)方法簡(jiǎn)介，見(jiàn)教材 12-3 12-3 光學(xué)分析法的分類光學(xué)分析法的分類 第第12章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論14第第12章章 光學(xué)分析法導(dǎo)論光學(xué)分析法導(dǎo)論 12-3 光學(xué)分析法的分類光學(xué)分析法的分類 按電磁輻射的能量大小光譜區(qū)域光譜區(qū)域 波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)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

14、級(jí)躍遷核能級(jí)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(jí)躍遷層電子能級(jí)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(jià)電子能級(jí)外層電子及價(jià)電子能級(jí) 紫外可見(jiàn)吸收紫外可見(jiàn)吸收光譜法光譜法 可見(jiàn)可見(jiàn) 400800nm 外層電子及價(jià)電子能級(jí)外層電子及價(jià)電子能級(jí) 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(dòng)能級(jí)分子振動(dòng)能級(jí) 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(dòng)能級(jí)分子振動(dòng)能級(jí) 拉曼拉曼光譜光譜 法法 遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外 50300 m 分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí) 微波微波 0.31000mm 分子轉(zhuǎn)動(dòng)、電子自旋能級(jí)分子轉(zhuǎn)動(dòng)、電子自旋能級(jí) 微波吸收、電子順磁共振譜微波吸收、電子順磁共振譜無(wú)線電波無(wú)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(yīng)的光譜分析方法電磁波譜區(qū)域與相應(yīng)的光譜分析方法15三種類型光譜儀器的總體結(jié)