第二章光譜分析法概論

1、包括無(wú)線電波、微波、紅外光、可見(jiàn)包括無(wú)線電波、微波、紅外光、可見(jiàn)光、紫外光、光、紫外光、X X射線、射線、射線等。射線等。狹義的光：狹義的光： 可見(jiàn)光。電磁波中的一小部分。可見(jiàn)光。電磁波中的一小部分。廣義的光：廣義的光： 所有已知的電磁波（輻射）所有已知的電磁波（輻射）電磁輻射電磁輻射電磁輻射具有波粒二象性電磁輻射具有波粒二象性電磁輻射電磁輻射是一種以是一種以電磁波電磁波的形式的形式在空間高速傳播的在空間高速傳播的粒子流粒子流。電磁輻射的波粒二象性電磁輻射的波粒二象性波動(dòng)性：波動(dòng)性：電磁輻射是單頻率的正弦波電磁輻射是單頻率的正弦波 光的折射、干涉、衍射偏振等現(xiàn)象光的折射、干涉、衍射偏振等現(xiàn)象用

2、波長(zhǎng)（用波長(zhǎng)（）、頻率（）、頻率（v）、波數(shù)（）、波數(shù)（）描述）描述cc1粒子性粒子性：電磁輻射是電磁輻射是不連續(xù)的能量微粒不連續(xù)的能量微粒光子光子光電效應(yīng)光電效應(yīng)電磁輻射的波粒二象性電磁輻射的波粒二象性電磁波譜電磁波譜按波長(zhǎng)（頻率、波數(shù)、能量）大小順序排列按波長(zhǎng)（頻率、波數(shù)、能量）大小順序排列電磁波譜與能級(jí)躍遷電磁波譜與能級(jí)躍遷第二章第二章 光學(xué)分析法概論光學(xué)分析法概論 能源提供能量能源提供能量 能量與被測(cè)物質(zhì)相互作用能量與被測(cè)物質(zhì)相互作用 產(chǎn)生可檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生可檢測(cè)信號(hào) 建立在物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射或它與電磁建立在物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射或它與電磁輻射相互作用基礎(chǔ)上的各種分析方法全稱。輻射相互作用基礎(chǔ)

3、上的各種分析方法全稱。 光學(xué)分析法光學(xué)分析法 光學(xué)分析法包含三個(gè)過(guò)程：光學(xué)分析法包含三個(gè)過(guò)程：主要內(nèi)容主要內(nèi)容一一電磁輻射及其與物質(zhì)的相互作用電磁輻射及其與物質(zhì)的相互作用二二光學(xué)分析法分類光學(xué)分析法分類三三光譜分析儀器光譜分析儀器四四光譜分析法的發(fā)展概況光譜分析法的發(fā)展概況一、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用一、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用電磁輻射照射物質(zhì)時(shí)，電磁輻射照射物質(zhì)時(shí)，其傳播方向、速度等物其傳播方向、速度等物理性質(zhì)發(fā)生改變。理性質(zhì)發(fā)生改變。電磁輻射照射物質(zhì)時(shí)，電磁輻射照射物質(zhì)時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，使物發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，使物質(zhì)內(nèi)部有相應(yīng)的能級(jí)質(zhì)內(nèi)部有相應(yīng)的能級(jí)躍遷躍遷一、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用一、電磁輻

4、射與物質(zhì)的相互作用折射、反射、透射折射、反射、透射1、 入射電磁輻射能量與介質(zhì)基態(tài)入射電磁輻射能量與介質(zhì)基態(tài)/激發(fā)激發(fā) 態(tài)態(tài)間的能量差間的能量差不相等不相等物理性質(zhì)發(fā)生改變物理性質(zhì)發(fā)生改變干涉干涉衍射衍射一、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用一、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用散射：散射：光子與介質(zhì)發(fā)生彈性碰撞改變方向光子與介質(zhì)發(fā)生彈性碰撞改變方向丁達(dá)爾散射丁達(dá)爾散射(Tyndall)：被照射試樣粒子直徑等于被照射試樣粒子直徑等于或大于入射光波長(zhǎng)，如膠體?；虼笥谌肷涔獠ㄩL(zhǎng)，如膠體。一、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用一、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用散射：散射：光子與介質(zhì)發(fā)生彈性碰撞改變方向光子與介質(zhì)發(fā)生彈性碰撞改變方向瑞利

5、散射瑞利散射(Rayleigh)：被照射試樣粒子直徑短被照射試樣粒子直徑短于入射光波長(zhǎng)。于入射光波長(zhǎng)。拉曼散射拉曼散射(Raman)：非彈性碰撞，方向及波長(zhǎng)均改變非彈性碰撞，方向及波長(zhǎng)均改變樣 品 池透過(guò)光透過(guò)光不變不變?nèi)鹄⑸淙鹄⑸洳蛔兝⑸淅⑸渥冏円弧㈦姶泡椛渑c物質(zhì)的相互作用一、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用散射：散射：光子與介質(zhì)發(fā)生彈性碰撞改變方向光子與介質(zhì)發(fā)生彈性碰撞改變方向一、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用一、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用1、 入射電磁輻射能量與介質(zhì)基態(tài)入射電磁輻射能量與介質(zhì)基態(tài)/激發(fā)激發(fā) 態(tài)態(tài)間的能量差間的能量差相等相等吸收和發(fā)射吸收和發(fā)射物質(zhì)內(nèi)部有相應(yīng)的能級(jí)躍遷物質(zhì)內(nèi)部有

6、相應(yīng)的能級(jí)躍遷二、光學(xué)分析法的分類二、光學(xué)分析法的分類 光光學(xué)學(xué)分分析析法法物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化能級(jí)躍遷物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化能級(jí)躍遷而產(chǎn)生輻射隨波長(zhǎng)變化而產(chǎn)生輻射隨波長(zhǎng)變化（一）光譜法與非光譜法（一）光譜法與非光譜法折折射射法法圓圓二二色色性性法法衍衍射射法法干干涉涉法法旋旋光光法法偏偏振振法法光光散散射射法法非光譜分析法非光譜分析法粉末粉末X射線衍射儀射線衍射儀（一）光譜法與非光譜法（一）光譜法與非光譜法光譜法：光譜法：分析物質(zhì)與輻射能作用時(shí)物質(zhì)內(nèi)部能級(jí)分析物質(zhì)與輻射能作用時(shí)物質(zhì)內(nèi)部能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的輻射變化躍遷而產(chǎn)生的輻射變化光譜特征定性光譜強(qiáng)度定量按外形按外形 線光譜、帶光譜、連續(xù)光譜線光譜、

7、帶光譜、連續(xù)光譜按能量的能量傳遞方式按能量的能量傳遞方式 吸收、發(fā)射、散射等吸收、發(fā)射、散射等按能量大小按能量大小 、X、紫外、可見(jiàn)、紅外、微波、紫外、可見(jiàn)、紅外、微波、 電子自旋共振、核自旋共振電子自旋共振、核自旋共振(無(wú)線電波無(wú)線電波)按物質(zhì)對(duì)象按物質(zhì)對(duì)象 原子光譜、分子光譜原子光譜、分子光譜（二）原子光譜法與分子光譜法（二）原子光譜法與分子光譜法1s2s2p原子能級(jí)原子能級(jí)分子能級(jí)分子能級(jí)分子的電子能級(jí)分子的電子能級(jí)分子振動(dòng)分子振動(dòng)分子轉(zhuǎn)動(dòng)分子轉(zhuǎn)動(dòng)原子能級(jí)和分子能級(jí)原子能級(jí)和分子能級(jí)能量能量電子基態(tài)E0電子激發(fā)態(tài)E1J0J1J2J3J4分子能級(jí)分布示意圖分子能級(jí)分布示意圖（二）原子光譜法

8、與分子光譜法（二）原子光譜法與分子光譜法原子光譜法：原子光譜法：涉及原子核外電子能級(jí)間躍遷涉及原子核外電子能級(jí)間躍遷特點(diǎn)：特點(diǎn)：線狀光譜；線狀光譜； 確定元素組成與含量確定元素組成與含量方法舉例：方法舉例： AES、 AAS、 AFS 、 XFS（二）原子光譜法與分子光譜法（二）原子光譜法與分子光譜法分子光譜法：分子光譜法： 涉及分子中電子能級(jí)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)變化涉及分子中電子能級(jí)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)變化特點(diǎn)：特點(diǎn)：帶狀光譜；給出分子結(jié)構(gòu)信息。帶狀光譜；給出分子結(jié)構(gòu)信息。方法舉例：方法舉例： UV-Vis、IR MFS、MPS（二）原子光譜法與分子光譜法（二）原子光譜法與分子光譜法吸收光譜法：吸收

9、光譜法： 粒子吸收能量，由低能態(tài)或基態(tài)躍遷至較粒子吸收能量，由低能態(tài)或基態(tài)躍遷至較高的能態(tài)（激發(fā)態(tài)），得到光譜高的能態(tài)（激發(fā)態(tài)），得到光譜（三）吸收光譜法與發(fā)射光譜法（三）吸收光譜法與發(fā)射光譜法E方法舉例：方法舉例： UV-Vis、IR AAS、NMRM + h M* 發(fā)射光譜法：發(fā)射光譜法： 物質(zhì)受激，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)以輻射的物質(zhì)受激，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)以輻射的方式釋放能量，產(chǎn)生光譜方式釋放能量，產(chǎn)生光譜M* M + h （三）吸收光譜法與發(fā)射光譜法（三）吸收光譜法與發(fā)射光譜法方法舉例：方法舉例：X X射線熒光分析法、原子發(fā)射光譜分析法射線熒光分析法、原子發(fā)射光譜分析法原子熒光分析法、分子

10、熒光分析法原子熒光分析法、分子熒光分析法分子磷光分析法、分子磷光分析法、 化學(xué)發(fā)光分析法化學(xué)發(fā)光分析法三、光譜分析儀器三、光譜分析儀器光譜儀：光譜儀：研究吸收、發(fā)射的電磁輻射強(qiáng)度和波長(zhǎng)關(guān)系的儀器研究吸收、發(fā)射的電磁輻射強(qiáng)度和波長(zhǎng)關(guān)系的儀器信號(hào)處理器或讀出裝置信號(hào)處理器或讀出裝置光譜分析儀器基本組成光譜分析儀器基本組成原子發(fā)射光譜儀原子發(fā)射光譜儀吸收光譜儀吸收光譜儀熒光光譜儀熒光光譜儀H2燈燈 紫外光源紫外光源 D2燈燈 160-375nm W 燈燈 320-2500nm 可見(jiàn)光源可見(jiàn)光源 氙燈氙燈 250-700nm Nernst 燈燈 連續(xù)光連續(xù)光源源 紅外光源紅外光源 硅碳棒硅碳棒 600

11、0-5000cm-1之之間有最大強(qiáng)度間有最大強(qiáng)度 Hg 燈燈 254-734nm 金屬蒸汽燈金屬蒸汽燈 Na 燈燈 589.0nm， 589.6nm 空心陰極燈空心陰極燈 空心陰極燈空心陰極燈 高強(qiáng)度空心陰極高強(qiáng)度空心陰極燈燈 也稱元素?zé)粢卜Q元素?zé)?紅寶石激光器紅寶石激光器 693.4nm He-Ne 激光器激光器 632.8nm 激光激光* Ar 離子激光器離子激光器 515.4nm， 488.0nm 直流電弧直流電弧 交流電弧交流電弧 火花火花 線光源線光源 發(fā)射光譜光發(fā)射光譜光源源 ICP 電能電能 要求：要求：強(qiáng)度大強(qiáng)度大(分析靈敏度高分析靈敏度高)、穩(wěn)定、穩(wěn)定(分析重現(xiàn)性好分析重現(xiàn)性

12、好)單色器單色器將復(fù)合光分解成單色光或有一定寬度的譜帶。將復(fù)合光分解成單色光或有一定寬度的譜帶。入射狹縫、出射狹縫、準(zhǔn)直鏡入射狹縫、出射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件等組成、色散元件等組成單色器單色器n 棱鏡棱鏡依據(jù)光的折射現(xiàn)象進(jìn)行分光；玻璃或石英制成依據(jù)光的折射現(xiàn)象進(jìn)行分光；玻璃或石英制成單色器單色器n 光柵光柵利用多狹縫干涉和單狹縫衍射聯(lián)合作用分光利用多狹縫干涉和單狹縫衍射聯(lián)合作用分光 d d900450300700350233500250167300150一級(jí)一級(jí)二級(jí)二級(jí)三級(jí)三級(jí)投射光投射光光柵光柵平面反射光柵平面反射光柵反射光柵反射光柵通過(guò)干涉現(xiàn)象，得到明暗相間的干涉條紋通過(guò)干涉現(xiàn)象，得到明暗

13、相間的干涉條紋n 干涉儀干涉儀單色器單色器v石英或熔融石英：紫外光石英或熔融石英：紫外光可見(jiàn)光可見(jiàn)光3 m；v 玻璃：可見(jiàn)光區(qū)（玻璃：可見(jiàn)光區(qū)（350-2000nm）；）；v 透明塑料：可見(jiàn)光區(qū)（透明塑料：可見(jiàn)光區(qū)（350-2000nm）；）；v 鹽窗（鹽窗（NaCl, NaBr晶體）：紅外光區(qū)。晶體）：紅外光區(qū)。 樣品池樣品池 除發(fā)射光譜外，其它所有光譜分析都需要吸除發(fā)射光譜外，其它所有光譜分析都需要吸收池。盛放試樣的吸收池由光透明材料制成。收池。盛放試樣的吸收池由光透明材料制成。 熱檢測(cè)器熱檢測(cè)器: 真空熱電偶、熱輻射計(jì)、真空熱電偶、熱輻射計(jì)、 熱釋電檢測(cè)器等熱釋電檢測(cè)器等檢測(cè)器檢測(cè)器 硒光電池、光電管、硒光電池、光電管、 光電倍增管、半導(dǎo)體等光電倍增管、半導(dǎo)體等 由檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后進(jìn)由檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后進(jìn)行顯示和記錄結(jié)果行顯示和記錄結(jié)果讀出裝置讀出裝置 檢流計(jì)檢流計(jì) 記錄儀記錄儀 數(shù)字顯示器數(shù)字顯示器 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)