第2章光譜分析法導(dǎo)論解析

1、第 2 章光譜分析法導(dǎo)論2.1 內(nèi)容提要2.1.1 根本概念光分析法一以物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)為根底建立的分析方法 ，稱為光學(xué)分析法 ，簡稱 光分 析法。光譜分析法一以測量光與物質(zhì)相互作用 ， 引起原子、分子內(nèi)部量子 化能級之 間躍 遷產(chǎn)生的發(fā)射、吸收、散射等波長與強度的變化關(guān)系為基礎(chǔ)的光分析法 ，稱為 光譜分析法。非光譜分析法一利用光與物質(zhì)作用時所產(chǎn)生的折射、干預(yù)、衍射和 偏振等基 本性質(zhì)的變化來到達分析測定目的的光分析法 ， 主要有折射法、干預(yù)法、衍射法、 旋光 法和圓二色性法等。光發(fā)射一受激粒子由高能態(tài)躍遷回到低能態(tài) ( 包括基態(tài)時 ，以光輻射形式釋放 多于 能量的現(xiàn)象。光吸收一當光與物質(zhì)接觸時

2、 ，某些頻率的光被選擇性的吸收并使其 強度減弱， 這 種現(xiàn)象被稱為物質(zhì)對光的吸收。光散射一光通過不均勻介質(zhì)時 ，如果有一局部光沿著其他方向傳播 ，這種現(xiàn)象 稱為 光的散射。光折射一當光從一種透明介質(zhì)進入另一種透明介質(zhì)時 ，光束的前進 方向發(fā)生 改變 的現(xiàn)象 ，稱為光的折射。光衍射一光波繞過障礙物而彎曲向后傳播的現(xiàn)象 ，稱為光的衍射。光偏振一 天然光 通過某些物質(zhì)后 ，變?yōu)橹辉谝粋€固定方向有振動的光 ，稱為平面偏振光 ，這種 現(xiàn)象稱為 偏振。光的旋光色散一平面偏振光進入旋光活性物質(zhì)時 ， 使得構(gòu)成偏振光 的左、右 兩圓 偏振光的傳播速度變得不一樣 ， 這種現(xiàn)象稱為旋光色散。 光的圓二色性一偏 振

3、光與物質(zhì) 相互作用后 ， 由于對左、右圓偏振光 的吸收情況不同導(dǎo)致兩圓偏振光的 振幅和能量也不 相同 ，并形成一個沿 著橢圓運動的橢圓偏振光 ，這種現(xiàn)象稱為圓二色 性。光的波粒二象性一指光既有波動性又有粒子性。吸收光譜一物質(zhì)的粒子吸收某特定的光子后 ，由低能級躍遷到較高 能級 ，當把 物 質(zhì)對光的吸收情況按照波長的次序排列記錄下來 ， 就得到吸收光譜。發(fā)射光譜一吸收了能量 光能、熱能、電能或其他能量的粒 子， 由高能級躍遷 到 底能級時 ，如果以光輻射形式釋放出多余的能量 ，當把光的輻射按波長次序排列記 錄下 來，就得到發(fā)射光譜。分子光譜 帶狀光譜一處于氣態(tài)或溶液中的 分子，當發(fā)生能級躍 遷時

4、,所發(fā)射 或 吸收的是一定頻率范圍的電磁輻射組成的帶狀光譜 ， 稱為分子光譜。原子光譜 線狀光譜一氣態(tài)原子發(fā)生能級躍遷時 ，能發(fā)射或吸收一定頻率 波 長 的電磁輻射 ， 經(jīng)過光譜儀所得到的一條條分立的線狀光譜 ，稱為原子光譜。固體光譜一熾熱的固體物質(zhì)及復(fù)雜分子受激后 ， 發(fā)射出波長范圍相當廣闊的 連續(xù)光 譜，稱為固體光譜。連續(xù)光譜一有連續(xù)分布的波長的 光組成的光譜 ，稱為連續(xù)光譜。轉(zhuǎn)動光譜一 反映 分子純轉(zhuǎn)動能級躍遷引起的轉(zhuǎn)動能量的變化的這部 分光譜稱為轉(zhuǎn)動光譜。振動光譜一反映分子純振動能級躍遷引起的振動能量的變化的這部 分光譜稱 為振 動光譜。分光譜稱電子光譜一反映分子純電子能級躍遷引起的電

5、子能量的變化的這部為電子光譜。復(fù)合光一包含多種頻率 或波長成分的光 ，稱為復(fù)合光。單色光一含有一種頻率 或波長成分的光 ,稱為單色光。色散一物質(zhì)對光的折射率隨著光的頻率的變化而變化 ， 這種現(xiàn)象稱 為色散。分光一利用色散現(xiàn)象可以將波長范圍很寬的復(fù)合光分散開來 ， 成為許多波長范 圍狹小的單色光這種作用稱為分光。2.1.2 根本內(nèi)容1. 光的根本性質(zhì)及電磁波譜的分類光是一種電磁輻射 或電磁波 ，具有波粒二象性。電磁輻射按照波 長的長短排 列 起來，稱為電磁波譜 ,根據(jù)其波長 及能量的不同 ，可以分為幾個不同的輻射類型或 波 譜區(qū)。2. 光的能量、頻率、波長和波數(shù)之間的關(guān)系光的波動性可用光的波長

6、入或波數(shù)c和頻率v來描述；光的粒子性可用光量子簡 稱光子 的能量E來描述。它們之間的關(guān)系遵循下式：E =hv =hc /入=hc C式中,c為光速在真空中c =3 K08m s -1 ; h為普朗克常數(shù)6.63 W-34J s? 。式左端表達了光的粒子性 ，右端表達了光的波動性 ，它把光的波粒二象性 聯(lián) 系和統(tǒng)一起來 ,并由此看出 ：不同波長的光 輻射具有不同的能量 ，波長越 長頻率、 波數(shù)越低 ，能量越低 ;反之，波長越短 ，能量越高。3. 光與物質(zhì)間的相互作用光與物質(zhì)相互接觸時 ，就會與物質(zhì)相互作用 ，作用的性質(zhì)隨光的波長 能量即物 質(zhì) 的性質(zhì)而異。通常包括 ：(1 光的吸收、發(fā)射 ；(2

7、 光的透射、散射和折射 ；(3 光的干預(yù)、衍射和偏振。4. 光分析法的分類光分析法以能源與物質(zhì)相互作用引起原子、分子內(nèi)部量子化能級之 間躍遷所產(chǎn)生的光吸收、發(fā)射、散射等波長與強度的變化關(guān)系為根底的光分析法。非光譜法是利用光與物質(zhì)作用時所產(chǎn)生的折射、干預(yù)、衍射和偏振 等根本性質(zhì)的變化來到達分析測定目的的分析方法。主要有折射法、干 光法和圓二色性法等。涉法、衍射法、旋5. 光譜的產(chǎn)生通常 ,物質(zhì)的分子處于穩(wěn)定的基態(tài)。當它受到光照或其他能量激發(fā)時，將根據(jù)分 子所吸收能量的大小 ， 引起分子轉(zhuǎn)動、振動或電子能級的躍遷 ,同時伴隨著光子的吸 收或發(fā) 射，當物質(zhì)的粒子吸收或放出某特定 的光子后 ,發(fā)生能級

8、之間 的躍遷，如果把 物質(zhì)對光 的吸收或發(fā)射情況按 照波長的次序排列記錄下來 ，就得到了光譜。按照產(chǎn)生光譜的物質(zhì)類型的不同 ，可以分為原子光譜、分子光譜、固體光譜 ；按 照 產(chǎn)生光譜的方式不同 ，可以分為發(fā)射光譜、 吸收光譜和散射光譜 ；按照光的性質(zhì)和 形狀 ， 又可分為線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。 6.光譜分析儀器的組成信號發(fā)生系統(tǒng) ，色散系統(tǒng) ,檢測系統(tǒng) ，信息處理系統(tǒng)。信號發(fā)生系統(tǒng) ： 包括光源和樣品容器。光源有連續(xù)光源和線光源等。一般連續(xù)光源主要用于分子吸收光譜法 ， 線光源用于原子熒光、原子吸收和拉曼光譜法。色散系統(tǒng) :其作用是將復(fù)合光分解成單色光或有一定寬度的譜帶。一般色散系統(tǒng)由棱鏡

9、或光柵等組成。檢測系統(tǒng) ：一般以光電轉(zhuǎn)換器作為檢測器。檢測器可分為對光子有響應(yīng)的光檢測器和對熱有響應(yīng)的熱檢測器。信息處理系統(tǒng) ：由檢測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后 ，可用檢流計、 微安表、 記錄 儀、 數(shù)字顯示器或陰極射線顯示器等顯示和記錄測定結(jié)果。2.2 思考題與習題解答1.原子光譜與分子光譜 ， 吸收光譜與發(fā)射光譜有什么不同 ？ 答:原子光譜是一條條彼此別離的線光譜。產(chǎn)生原子光譜的是處于稀薄氣體狀 態(tài)的原子 相互之間作用力小 ，由于原子沒有振動和轉(zhuǎn)動能級 ,因此原子光譜的產(chǎn)生 主要是電 子能級躍遷所致。分子光譜是一定頻率范圍的電磁輻射組成的帶狀光譜。產(chǎn)生分子光 譜的是處 于氣 態(tài)或溶液中的分子

10、 ， 分子光譜分三個層次 ：轉(zhuǎn)動光譜、振動光譜、電子光譜。當物質(zhì)受到光輻射作用時 ，物質(zhì)中的分子或原子以及強磁場中的原子核吸收了 特定 的光子之后 ，由低能態(tài) 一般為基態(tài)被激發(fā)躍遷到高能態(tài) 激發(fā)態(tài)，此時如將吸 收的光 輻射記錄下來 ， 得到的就是吸收光譜。按其產(chǎn)生的本質(zhì)可分為 ：分子吸收光譜 包括紫 外與可見吸收光譜 ， 紅外吸收光譜、原子吸收光譜及核磁共振波譜等。吸收了光能處于高能態(tài)的分子或原子 ，其壽命很短 ，當它們回到基 態(tài)或較低能態(tài) 時， 有時以熱的形式釋放出所吸收的能量 ，由于這種熱量很小 ， 一般不易覺察出來 ； 有 時重 新以光輻射形式釋放出來 ，由此獲得的光譜就是發(fā)射光譜。 發(fā)

11、射光譜按其產(chǎn)生 的本質(zhì) , 通常分為：原子離子發(fā)射光譜、分子發(fā)射光譜和 X射線發(fā)射光譜。發(fā)射光譜的特征是在暗背景上有明亮的譜線或譜區(qū) ， 吸收光譜的特征那么是在連 續(xù)的 亮背景上有暗線或暗區(qū)。2?什么是復(fù)合光和單色光 ？ 光譜分析中如何獲得單色光 ？答:包含多種頻率成分的光 ， 稱為復(fù)合光只包含一種頻率成分的光稱為單色光。在光譜分析中 ，廣泛利用棱鏡 ( 折射現(xiàn)象及光柵 (衍射和干預(yù)現(xiàn)象 來獲得單色 光。3. 光譜分析法是如何分類的 ？答:光譜的分類 ：按照產(chǎn)生光譜的物質(zhì)類型不同 ， 可以分為原子光譜、分子光 譜、 固體光譜 ； 按照產(chǎn)生光譜的方式不同 ，可以分為發(fā)射光譜、吸收光譜和散射光譜按照光的性質(zhì)和形狀 ， 又可分為線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。光譜法的分類 ：主要有原子光譜法和分子光譜法。原子光譜法有原子發(fā)射光譜 法、原子吸收光譜法、原子熒光光譜法及 X 射線熒光光譜法等。分子光譜法有紫外-可見吸收光譜法、紅外吸收光譜法、分子熒光光 譜法及分子磷光光譜法等。4. 如何由光的頻率計算光的能量 及波長、波數(shù) ？鉀原子共振線 的激發(fā)能為 1.62 eV , 試計算該共振線的波長、頻率和波數(shù) ？ (1 eV =1.602 10-19J解:因為 E =hv