光分析方法導(dǎo)論

1、光分析方法導(dǎo)論第1頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一2-1光學(xué)分析法的分類(lèi)非光譜法 非光譜法是基于輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)，測(cè)量輻射的某些性質(zhì)，如折射、干涉、衍射和偏振等變化的分析方法。非光譜法不涉及物質(zhì)內(nèi)部能量的躍遷，電磁輻射只改變了傳播方向、速度或某些物理性質(zhì)。 主要有：折射法、偏振法、光散射法（比濁法）、干涉法、衍射法、旋光法和圓二色性法等。Company Logo第2頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一2-1光學(xué)分析法的分類(lèi)2. 光譜法光譜法是基于輻射能與物質(zhì)相互作用時(shí)，測(cè)量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長(zhǎng)和強(qiáng)

2、度而進(jìn)行分析的方法。光譜法依據(jù)被輻射作用的物質(zhì)對(duì)象不同，一般分為原子光譜和分子光譜兩大類(lèi)。 原子光譜是由于原子外層或內(nèi)層電子能級(jí)的躍遷所產(chǎn)生的光譜，它的表現(xiàn)形式為線狀光譜。主要有AES、AAS、AFS及XFS等方法。 Company Logo第3頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一2-1光學(xué)分析法的分類(lèi)2. 光譜法光譜法是基于輻射能與物質(zhì)相互作用時(shí)，測(cè)量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度而進(jìn)行分析的方法。 光譜法依據(jù)于輻射作用的物質(zhì)對(duì)象不同，一般分為原子光譜和分子光譜兩大類(lèi)。 原子光譜是由于原子外層或內(nèi)層電子能級(jí)的躍遷所產(chǎn)生的光譜，

3、它的表現(xiàn)形式為線狀光譜。主要有AES、AAS、AFS及XFS等方法。 第4頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一2-1光分析方法分類(lèi) 分子光譜是由于分子中電子能級(jí)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷所產(chǎn)生的光譜，其表現(xiàn)形式為帶狀光譜。屬于這類(lèi)分析法的有UVVIS、IR、MFS、MPS等方法。此外，基于核自旋及電子自旋能級(jí)的躍遷而對(duì)射頻輻射的吸收所產(chǎn)生的核磁共振和電子自旋共振波譜法，也歸屬于分子光譜。 光譜法依據(jù)物質(zhì)與輻射相互作用的性質(zhì)，一般分為發(fā)射光譜法、吸收光譜法、拉曼散射光譜法三種類(lèi)型。Company Logo第5頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一1.發(fā)射光譜法

4、物質(zhì)通過(guò)電致激發(fā)、熱致激發(fā)或光致激發(fā)等過(guò)程獲取能量，變成為激發(fā)態(tài)的原子或分子M*，激發(fā)態(tài)的原子或分子是極不穩(wěn)定的，它們可能以不同形式釋放出能量從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)或低能態(tài)，如果這種躍遷是以輻射形式釋放多余的能量就產(chǎn)生發(fā)射光譜。 通過(guò)測(cè)量物質(zhì)發(fā)射光譜的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行定性、定量分析的方法叫做發(fā)射光譜法。Company Logo第6頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一 依據(jù)光譜區(qū)域和激發(fā)方式不同，發(fā)射光譜有以下幾種： 射線光譜法 X射線熒光分析法 原子發(fā)射光譜分析法 原子熒光分析法 分子熒光分析法 分子磷光分析法 化學(xué)發(fā)光分析法第7頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分

5、，星期一2.吸收光譜法 當(dāng)物質(zhì)所吸收的電磁輻射能與該物質(zhì)的原子核、原子或分子的兩個(gè)能級(jí)間躍遷所需的能量能滿足 的關(guān)系時(shí)，將產(chǎn)生吸收光譜 ： 通過(guò)測(cè)量物質(zhì)對(duì)輻射吸收的波長(zhǎng)和強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法叫做吸收光譜法。 Company Logo第8頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一吸收光譜法主要有以下幾種分析方法：（1）紫外可見(jiàn)分光光度法：它是利用溶液中的分子或基團(tuán)對(duì)紫外和可見(jiàn)光的吸收，產(chǎn)生分子外層電子能級(jí)躍遷所形成的吸收光譜，可用于定性和定量測(cè)定。（2）穆斯堡爾（Mssbauer）譜法：由與被測(cè)元素相同的同位素作為射線的發(fā)射源，使吸收體（樣品）的原子核產(chǎn)生無(wú)反沖的射線共振吸收所形成的

6、光譜。Company Logo第9頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一(3)原子吸收光譜法:利用待測(cè)元素氣態(tài)基態(tài)原子對(duì)共振線的吸收進(jìn)行定量測(cè)定的方法。其吸收機(jī)理是原子的外層電子能級(jí)躍遷,波長(zhǎng)在紫外、可見(jiàn)和近紅外光區(qū).(4) 紅外光譜法:利用分子在紅外區(qū)的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)吸收光譜來(lái)測(cè)定物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu).(5)順磁共振波譜法:在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，電子的自旋磁矩與外磁場(chǎng)相互作用分裂為磁量子數(shù)Ms值不同的磁能級(jí)，磁能級(jí)之間的躍遷吸收或發(fā)射微波區(qū)的電磁輻射。在這種吸收光譜中Company Logo第10頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一，不同化合物的耦合常數(shù)不同，可用來(lái)進(jìn)

7、行定性分析。根據(jù)耦合常數(shù)，可用來(lái)幫助結(jié)構(gòu)的確定。(6)核磁共振波譜法:在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，核自旋磁矩與外磁場(chǎng)相互作用分裂為能量不同的核磁能級(jí)，核磁能級(jí)之間的躍遷吸收或發(fā)射射頻區(qū)的電磁波。利用這種吸收光譜可進(jìn)行有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的鑒定，以及分子的動(dòng)態(tài)效應(yīng)、氫鍵的形成、互變異構(gòu)反應(yīng)等化學(xué)研究。Company Logo第11頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一3.拉曼(Raman)散射光譜法 頻率為v0的單色光照射到透明物質(zhì)上，物質(zhì)分子會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。如果這種散射是光子與物質(zhì)分子發(fā)生能量交換的，即不僅光子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，它的能量也發(fā)生變化，則稱(chēng)為Raman散射。這種散射光的頻率（ v

8、m）與入射光的頻率不同，稱(chēng)為Raman位移。Raman位移的大小與分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的能級(jí)有關(guān)，利用Raman位移研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法稱(chēng)為Raman光譜法。Company Logo第12頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一2-2電磁輻射的基本性質(zhì) 經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為：電磁輻射是一種在空間傳播著的交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)，真空中的速度為2.997921010cms-1，不需要以任何物質(zhì)作為傳播媒介的能量形式（注意：是一種能量形式）。 它包括無(wú)線電波、微波、紅外光、可見(jiàn)光、紫外光以及X-射線和-射線等。電磁輻射具有波動(dòng)性和微粒性-稱(chēng)為電磁輻射的二象性。第13頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，

9、3點(diǎn)36分，星期一一電磁輻射的波動(dòng)性 電磁輻射是一種電磁波，它可以用電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量來(lái)描述，它是簡(jiǎn)單的單個(gè)頻率的平面偏振電磁波。 由于與物質(zhì)微粒內(nèi)電荷相互作用的是電磁波的電場(chǎng)，所以一般情況下，僅以電場(chǎng)矢量表示電磁波。 電磁波的波波動(dòng)性：振動(dòng)傳播、反射、衍射、干涉和散射。 可以用以下的波參數(shù)來(lái)描述：Company Logo第14頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一可以用以下的波參數(shù)來(lái)描述： 周期T ：相鄰兩個(gè)波峰或波谷通過(guò)空間某一固定點(diǎn)所需要的時(shí)間間隔稱(chēng)為波的周期，單位為s（秒）。 頻率 ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)傳播方向上某一點(diǎn)的波峰或波谷的數(shù)目，即單位時(shí)間內(nèi)電磁場(chǎng)振動(dòng)的次數(shù)稱(chēng)為頻

10、率，單位為Hz，即s-1（秒-1），頻率為周期的倒數(shù)， 。 波長(zhǎng)：相鄰兩個(gè)波峰或波谷間的直線距離稱(chēng)為波長(zhǎng)，若電磁波的傳播速度為c,則：第15頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一 波數(shù) （或）：每厘米長(zhǎng)度內(nèi)含有波長(zhǎng)的數(shù)目稱(chēng)為波數(shù)，單位為cm-1，波數(shù)是波長(zhǎng)的倒數(shù)，可表示為:Company Logo第16頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一二電磁輻射的微粒性 光的粒子論最早是牛頓提出來(lái)的，而波動(dòng)論和粒子論的爭(zhēng)論一直持續(xù)到二十世紀(jì)初，普朗克（Planck）提出的量子論才把兩者聯(lián)系起來(lái)，并為科學(xué)界所共識(shí)，即。普朗克認(rèn)為，被熱激發(fā)的振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的能量光具有二象性是量子

11、化的。當(dāng)振子從一個(gè)被允許的高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，就有一個(gè)光子的能量發(fā)射出來(lái)，光子的能量與頻率成正比，與波長(zhǎng)成反比，而與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。 式中，h=6.62610-34Js，c為光速。第17頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一表2-1 能量單位換算表注 ： Erg單位已不再使用，常用的能量單位是J和eV。Company LogoJCalErg eV1J（焦耳）10.23901076.24110181Cal（卡）4.18414.1841072.61210191erg（爾格）10-72.39010-816.24110111eV（電子伏）1.60210-193.82910-201.6

12、0210-121第18頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一三電磁波譜 將各種電磁輻射按照波長(zhǎng)或頻率的大小順序排列所畫(huà)成的圖或表稱(chēng)為電磁波譜?？梢?jiàn)，電磁波譜是一個(gè)跨越1015波長(zhǎng)范圍的極寬的波譜帶，其中射線的波長(zhǎng)最短（頻率最高），能量最大；其后依次是X射線區(qū)，紫外可見(jiàn)和紅外光區(qū)；無(wú)線電波區(qū)波長(zhǎng)最長(zhǎng)（頻率最低），能量最小。 高能輻射區(qū)光學(xué)光譜區(qū)長(zhǎng)波部分Company Logo第19頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一E/eV /Hz電磁波躍遷類(lèi)型2.51056.010190.005nm射線區(qū)核能級(jí)2.51051.21026.010193.010160.005

13、10nmX射線區(qū)K、L層電子能級(jí)1.21026.23.010161.5101510200nm真空紫外光區(qū)K、L層電子能級(jí)6.23.11.510157.51014200400nm近紫外光區(qū)外層電子能級(jí)3.11.67.510143.81014400800nm可見(jiàn)光區(qū)外層電子能級(jí)1.60.503.810141.210140.82.5m近紅外光區(qū)分子振動(dòng)能級(jí)0.502.510-21.210146.010122.550m中紅外光區(qū)分子振動(dòng)能級(jí)2.510-21.210-36.010123.01011501000m遠(yuǎn)紅外光區(qū)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)1.210-34.110-63.010111.01091300mm微波區(qū)

14、分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)4.110-61.0109300mm無(wú)線電波區(qū)電子和核的自旋表2-1電磁波譜的有關(guān)參數(shù)第20頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一2-3.分光光度計(jì) 用來(lái)研究吸收、發(fā)射或熒光的電磁輻射的強(qiáng)度和波長(zhǎng)的關(guān)系的儀器叫做光譜儀或分光光度計(jì)。 這一類(lèi)儀器一般包括五個(gè)基本單元：光源、單色器、樣品容器、檢測(cè)器和讀出器件。1. 光源 光譜分析中，光源必須具有足夠的輸出功率和穩(wěn)定性。光源有連續(xù)光源和線光源等,一般連續(xù)光源主要用于分子光譜中。連續(xù)光源有紫外光源，主要是采用氫燈，氘燈或氙燈；可見(jiàn) 第21頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一 光源，常用的是鎢絲燈、鹵鎢

15、燈；紅外光源，常用的是硅碳棒、能斯特?zé)舻?。線光源主要用于原子光譜中，線光源有金屬蒸氣燈，常見(jiàn)的是汞或鈉蒸氣燈、空心陰極燈，用于原子吸收光譜中，還有激光光源。 2. 單色器 它的作用是將復(fù)合光分解成單色光或有一定寬度的譜帶。包括入射光狹縫和出射光狹縫、準(zhǔn)直鏡以及色散元件所組成,色散元件有棱鏡和光柵兩種。Company Logo第22頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一3.樣品容器 盛放樣品的容器必須由光透明的材料制成。在紫外光區(qū)工作時(shí)，采用石英材料；在可見(jiàn)光區(qū)工作時(shí)，則用硅酸鹽玻璃材料；在紅外光區(qū)工作時(shí)，則可根據(jù)不同的波長(zhǎng)范圍選擇不同的材料（主要有堿金屬或堿土金屬的鹵化物）的

16、晶體，制成樣品池的窗口。Company Logo第23頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一4. . 檢測(cè)器 在光學(xué)分析儀器中，用光電轉(zhuǎn)換器件作為檢測(cè)器。這類(lèi)檢測(cè)器必須在一個(gè)寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)輻射有響應(yīng)，在輻射能量較低時(shí)響應(yīng)應(yīng)靈敏，對(duì)輻射的響應(yīng)速度要快，響應(yīng)信號(hào)要容易放大，噪聲水平要低，而更重要的是響應(yīng)信號(hào)應(yīng)與照射光的強(qiáng)度I成線性關(guān)系。Company Logo第24頁(yè)，共27頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)36分，星期一 檢測(cè)器可分為兩類(lèi)，一類(lèi)對(duì)光子有響應(yīng)的光檢測(cè)器，如硒光電池、光電管（也稱(chēng)真空光電二極管）、光電倍增管、半導(dǎo)體檢測(cè)器和硅二極管陣列檢測(cè)器等；另一類(lèi)為對(duì)熱產(chǎn)生響應(yīng)的熱檢測(cè)器，