物理測試技術(shù)

物理測試技術(shù)第一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光通常是指能引起人眼的感覺(視覺)的電磁輻射或電磁波，其波長范圍從紅光的780nm到紫光的390nm的可見光從780nm以上到1mm左右的電磁波，包括近紅外、遠紅外與極紅外，被稱為紅外光或紅外線從380nm以下到1nm，包括近紫外、遠紫外與極紫外(真空紫外)，被稱為紫外光或紫外線這兩種波段的光雖然不能引起視覺，但具備偏振、干涉、衍射，在界面上反射與折射等光的特征，可以用物理光學(xué)儀器測出發(fā)射這種光的物體。因此，光學(xué)中光的概念也包括了紅外和紫外這些可見區(qū)以外的光輻射，即包括了波長位于向無線電波過渡區(qū)(約1mm)與向x射線過渡區(qū)(1nm)之間的電磁輻射第五章光學(xué)量及光譜測量一、光第二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日粒子性（微粒說）：太陽和其他一切發(fā)光與發(fā)熱的物體發(fā)出微小的粒子，這些粒子能引起人們的光和熱的感覺——古希臘的哲學(xué)家。牛頓所支持的光的微粒說，認(rèn)為光是從發(fā)光體發(fā)出的而且以一定速度向空間傳播的一種微粒。利用微粒說不僅可以說明光的直線傳播，而且可以說明光的反射和折射，只不過在說明折射時，認(rèn)為光在水中的速度要大于空氣中的速度波動性（波動說）：惠更斯所倡議的光的波動說，認(rèn)為光是在介質(zhì)中傳播的一種波動。利用波動說也能說明反射和折射現(xiàn)象，而且還解釋了方解石的雙折射現(xiàn)象，但認(rèn)為光在水中的速度要小于空氣中的速度光的波動說取得了一些成就，但由于牛頓的崇高威望，在十八世紀(jì)光的波動說仍處在被壓抑的地位，而微粒說占了統(tǒng)治地位光的本性第三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日十七世紀(jì)初葉，荷蘭人李普塞（Lippershey，1587－1619）、意大利人伽里略（Galileo，1564-1642

）和德國人開普勒（Kepler，1571-1630）等人，創(chuàng)制了用于天象觀測的望遠鏡1621年，荷蘭人斯涅耳（W·Snell，1591－1626）發(fā)現(xiàn)了光線在兩種介質(zhì)界面穿過時，光線傳播方向發(fā)生變化的光的折射定律。法國人笛卡兒（R·Descartes，1596－1650）導(dǎo)出了用正弦函數(shù)表達的折射定律十九世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)光有干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的波動的特征，和微粒說是不相容的。1801年英國物理學(xué)家楊（T·Young，1773－1829）用實驗顯示了光的干涉現(xiàn)象，在歷史上第一次測定了光的波長，并用干涉原理成功地解釋了白光下薄膜彩色的形成，為波動說奠定了實驗基礎(chǔ)法國人菲涅耳（Fresnel1788-1827

）與阿喇果合作（D·Arago，1786－1853），用光的波動說和干涉原理研究了光通過障礙物和小孔時所產(chǎn)生的衍射圖樣，并對光的直線傳播作了滿意的解釋，波動說取得了勝利，確立了應(yīng)有的地位第四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日法國人馬呂斯（E·Malus，1775－1812）、楊、菲涅耳和阿喇果，對光的偏振現(xiàn)象做了進一步研究，從而確認(rèn)光具有橫波性1850年，法國人傅科（J·B·Foucault，1819－1868）從實驗證明光在水中的速度小于空氣中的速度，波動說最后以無可辯駁的事實徹底否定了微粒說，在十九世紀(jì)中葉形成了波動光學(xué)的體系1865年蘇格蘭人麥克斯韋（Maxwell1831--1879

）指出光也是一種電磁波，這個預(yù)言被以后的一系列實驗所證實，波動說擺脫了機械論而得到根本的改造，波動光學(xué)在電磁理論的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展完善從十九世紀(jì)末期到二十世紀(jì)初期，通過對黑體輻射、光電效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象不能用波動理論來解釋，必須假定光是具有一定能量和動量的光子所組成——人們對光的本性的認(rèn)識又向前推進了一步，愛因斯坦(T.A.Einstein)1905年提出光不但具有波動性還具有微粒性——光的波粒二象性第五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日二、光度學(xué)人類觀察自然需要標(biāo)定發(fā)光體的亮度光度學(xué)是根據(jù)人類視覺器官的生理特性和某些約定的規(guī)范來評價輻射所產(chǎn)生的視覺效應(yīng)，它所測量的不是純粹的物理量，而是一種生理—心理—物理量早期，人們根據(jù)眼睛感覺的“明、暗”來判斷可見光的強、弱1.人類視覺視覺[vision]：物體的影像刺激眼睛所產(chǎn)生的感覺。光線→角膜→瞳孔→晶狀體（折射光線）→玻璃體（固定眼球）→視網(wǎng)膜（形成物像）→視神經(jīng)（傳導(dǎo)視覺信息）→大腦視覺中樞（形成視覺）視網(wǎng)膜是一層包含上億個神經(jīng)細(xì)胞的神經(jīng)組織，其中只有感光細(xì)胞對光敏感按形狀分為兩大類：視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞第六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日角膜和晶狀體組成眼的屈光系統(tǒng)眼球充滿膠狀的玻璃體，向眼的各種組織提供營養(yǎng)，也有助于保持眼球的形狀虹膜形成的瞳孔起著光闌的作用0.3毫米的視網(wǎng)膜第七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日視桿細(xì)胞：總數(shù)1億以上，分布不均勻，在光線較暗時活動，有較高的光敏性，但不能作精細(xì)的空間分辨，且不參與色覺

視錐細(xì)胞：約600～800萬個，分布不均勻，在較明亮的環(huán)境中以視錐細(xì)胞為主，提供色覺以及精細(xì)視覺黃斑：在視網(wǎng)膜上，處于人眼的光學(xué)中心區(qū)，處于人眼的光學(xué)中心，眼睛所注視的目標(biāo)投影于黃斑區(qū)的中央凹處，幾乎只有視錐細(xì)胞，有很高的空間分辨能力和良好的色覺盲點：視神經(jīng)在視網(wǎng)膜前面，匯集到一個點上穿過視網(wǎng)膜連進大腦，沒有感光細(xì)胞，目標(biāo)投影到此區(qū)域不會引起視覺1666年馬略特向巴黎科學(xué)院報告眼睛有“盲點”。兩人相對站好，彼此相隔2米遠，右手伸直，向上側(cè)舉。然后各自閉上左眼，各用右眼注視對方的右手掌第八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日2.光度量光通量、發(fā)光強度、照度、亮度1729年P(guān).布為比較天體亮度發(fā)明了目視光度計

人眼所能適應(yīng)的光的強度變化超過了一百萬比一的范圍，是由在亮光條件下起作用的視錐細(xì)胞和在暗光條件下起作用的視桿細(xì)胞的相互間轉(zhuǎn)移完成的。如果光的強度比較強，就能識別顏色；如果光很弱就不能識別顏色。目視法主要是利用人的眼睛對光敏感強，能精確判斷相鄰二個表面的亮度是否相同。目視光度計就是基于這一特點制成光度量是具有“標(biāo)準(zhǔn)人眼”視覺響應(yīng)特性的人眼對所接收到的光的度量人眼光譜視覺函數(shù)（視見率）V()

人眼對不同波長的光產(chǎn)生的光感覺的效率不同，標(biāo)準(zhǔn)人眼亮視覺在波長555nm處光視效能最高；暗視覺在507nm處光視效能最高第九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日人眼視覺函數(shù)曲線。V()：亮視覺（亮度水平在幾坎德拉/m2以上）；

V()：暗視覺（亮度水平在百分之幾坎德拉/m2以下）1.0400505555750l

/nmV(l)人眼的視覺函數(shù)曲線V()V()相對光視覺效率第十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日輻射顏色波長/nmV(l)輻射顏色波長/nmV(l)輻射顏色波長/nmV(l)紫4000.0004綠5300.8620橙6500.1070紫4100.0012綠5400.9540紅6600.0610紫4200.0040黃5500.9950紅6700.0320紫4300.0116黃5551.0000紅6800.0170藍4400.0230黃5600.9950紅6900.0082藍4500.0380黃5700.9520紅7000.0041青4600.0600黃5800.8700紅7100.0021青4700.0910黃5900.7570紅7200.00105青4800.1390橙6000.6310紅7300.00052青4900.2080橙6100.5030紅7400.00025綠5000.3230橙6200.3810紅7500.00012綠5100.5030橙6300.2650紅7600.00006綠5200.7100橙6400.1750標(biāo)準(zhǔn)亮視覺函數(shù)值第十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日發(fā)光強度光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的發(fā)光強度，單位坎德拉(cd)，1cd=1lm/sr（球面度）1860年英國首都的煤氣法案正式規(guī)定了發(fā)光強度單位燭光的定義及標(biāo)準(zhǔn)光源光通量是以人眼對光的感覺量為基準(zhǔn)的單位，流明(lm)是國際單位體系(SI)和美國單位體系(AS)的光通量單位光源在單位時間、向周圍空間輻射并引起視覺的能量，稱為光通量人的眼睛所能感覺的光輻射功率,它等于單位時間的光輻射能量和相對視見率的乘積每單位時間到達、離開或通過曲面的光能數(shù)量——光的輻射通量e光通量：v()=KmV()e()光通量第十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日1879年維奧列建議用處于凝固過程的1cm2純鉑表面的發(fā)光強度作為標(biāo)準(zhǔn)。這是白熾光度標(biāo)準(zhǔn)的先聲1881年國際電工技術(shù)委員將燭光定義為1磅鯨腦油制成6支蠟燭，蠟燭以每小時120格令（1格令約等于0.0648克）的速度燃燒時，在火焰水平方向的發(fā)光強度為1燭光——國際標(biāo)準(zhǔn)1889年國際電工委員會采用維奧列標(biāo)準(zhǔn)，用它的發(fā)光強度的1/20作為發(fā)光強度的單位，稱做“小數(shù)燭光”1909年美、法、英等國決定用一組碳絲白熾燈來保持發(fā)光強度單位,取名為“國際燭光”,符號為“ic”1948年，第9屆國際計量大會通過用拉丁文——candela（坎德拉）取代新燭光，坎德拉意為“用獸油制作的蠟燭”，它的大小為在鉑凝固溫度的全輻射體的亮度是60坎德拉每平方厘米1967年第13屆國際計量大會決定將坎德拉定義改述為：坎德拉是在101325帕的壓力下，處于鉑凝固溫度（約2042K

）的黑體的1/60平方厘米表面在垂直方向上的發(fā)光強度第十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日1979年第十六屆國際大會通過的坎德拉的定義為：坎德拉是發(fā)出頻率為5.40×1014赫茲的單色輻射源在給定方向上的發(fā)光強度，該方向上的輻射強度為(1／683)瓦／球面度照度普通光源的發(fā)光強度太陽：2.8×1027坎德拉高亮手電：10000坎德拉5mm超高亮LED：15坎德拉

單位受照面積上接收到的光通量，單位為流明／米2，稱勒克斯（lux或lx）晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為10000lx陰天室外50—500lx日光燈5000lx40W白熾燈下1m遠處的照度約為30lx第十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日最大光功當(dāng)量KM：1W波長為555nm的單色輻射能通量所能引起的光通量。KM=683lm/W最小光功當(dāng)量Km：能夠產(chǎn)生1lm光通量所需的555nm波長的單色輻射通量。Km=0.00146W/lm發(fā)光效率：對于一般電光源，每瓦電功率所能產(chǎn)生的光通量數(shù)幾種常用光源的發(fā)光效率光源種類發(fā)光效率/(lm·W-1）光源種類發(fā)光效率/(lm·W-1）鎢絲燈（真空）8～9.2日光燈27～41鎢絲燈（充氣）9.2～21高壓水銀燈34～45石英鹵素?zé)?0超高壓水銀燈40～47.5氣體放電管16～30鈉光燈60第十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日表示發(fā)光面明亮程度，指發(fā)光表面在指定方向的發(fā)光強度與垂直且指定方向的發(fā)光面的面積之比，單位是坎德拉/m2

亮度3.測量目視法

色溫（ColorTemperature）按絕對黑體定義

。光源發(fā)光時會產(chǎn)生一組光譜，用一個純黑體產(chǎn)生出同樣的光譜時所需要達到的溫度就是該光源的色溫。標(biāo)準(zhǔn)燭光為1930K，鎢絲燈為2760-2900K，熒光燈為7000K，中午陽光為5400K；電子閃光燈為6000K；藍天為12000-18000Kds：發(fā)光面元IV：發(fā)光強度：面元法線與指定方向間的夾角第十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日S1S2DM1M2PE目視光度計如圖：S1：標(biāo)準(zhǔn)光源S2：待測光源D：漫射屏P：光度頭M1、M2：全反射鏡E：目鏡要求光源S1、S2色溫接近，相差<100K由兩光源發(fā)出的光，經(jīng)光路在目鏡中呈現(xiàn)兩個很靠近的像調(diào)整兩光源與漫射屏D的距離,使漫射屏兩側(cè)的照度一樣，利用平方反比定律進行標(biāo)定，可同時定色溫、測光強測量時，使兩個光源像部分重疊，當(dāng)界線消失時兩個光源照度相同第十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日客觀法利用光電池測量光電池V()濾光片電流計LS標(biāo)準(zhǔn)光源LX待測光源rSrXLS照射光電池：ES=IS/rS2，電流表的讀數(shù)為A,LX照射光電池：EX=IX/rX2，電流表的讀數(shù)為A調(diào)整rX，使A=A，則：EX=

ES，即有：IX=IS(rX/rS)2第十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日常用輻射度量和光度量輻射度量光度量名稱符號定義單位名稱符號定義單位輻射功率輻射通量0P以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率W光通量V人的眼睛所能感覺的光輻射功率流明點源在給定方向輻射強度I0d0/d，d包含的d0立體角元W/sr點源在給定方向的發(fā)光強度IVdV/d，d包含的d0立體角元坎德拉源表面一點在給定方向的輻射亮度L0瓦/(米2球面度)源表面一點在給定方向的光亮度LV坎德拉/米2輻射出射度M0d0/dsds出射面元W/m2光出射度MVdV/dsds出射面元流明/米2輻射照度E0d0/dsds照射面元W/m2光照度EVdV/dsds照射面元流明/米2勒克斯第十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日4.弱光測量在弱光信號檢測中，當(dāng)光強微弱到一定程度時，光的量子特征開始顯現(xiàn)，如：He-Ne激光（632.8nm），其每個光子的能量為3.19×10-19焦耳，光功率小于10-11瓦時，相當(dāng)于光子的發(fā)射率為108光子數(shù)/秒，即光子的發(fā)射周期約為10-8秒雪崩光電二極管（APD）載流子擴散第二十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日在PN結(jié)的交界面附近，由于擴散運動使電子與空穴復(fù)合，多數(shù)載流子的濃度下降，則在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域——空間電荷區(qū)平衡狀態(tài)下的PN結(jié)空間電荷區(qū)形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場E，這一內(nèi)部電場阻礙多數(shù)載流子擴散，加速少數(shù)載流子漂移在無外電場或外激發(fā)因素時，PN結(jié)處于動態(tài)平衡，沒有電流，內(nèi)部電場E不變，這時空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子——耗盡層PN結(jié)兩端加正向電壓U：P區(qū)“+”，N區(qū)“-”耗盡層變窄，PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)兩端加反向電壓U：P區(qū)“-”，N區(qū)“+”耗盡層變寬，PN結(jié)截止第二十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日增加PN結(jié)兩端反向電壓U至某數(shù)值時，反向電流劇增——擊穿PN結(jié)的擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿齊納擊穿：當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高時，耗盡層很薄，載流子與中性原子碰撞的機會極小，不容易發(fā)生碰撞電離；當(dāng)加上不大的反向電壓時，就能建立很強的電場，足以把耗盡層內(nèi)中性原子的價電子直接從共價鍵中拉出來，產(chǎn)生電子—空穴對，產(chǎn)出大量的載流子，使PN結(jié)的反向電流劇增，呈現(xiàn)反向擊穿雪崩擊穿：當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度較低時，耗盡層較寬，反向電壓增大時，層中載流子的漂移速度加快，致使動能增大，撞擊其它分子、原子，又產(chǎn)生新的電子-空穴對，此連鎖反應(yīng)使耗盡層中載流子的數(shù)量劇增，反向電流急劇增大，且增長速度極快，象雪崩一樣碰撞電離也可使光生載流子倍增——雪崩光電二極管性能良好的雪崩光電二極管的光電流平均增益可達到幾百倍第二十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光電倍增管（

PhotoMultiplierTube

PMT）靈敏度極高，響應(yīng)速度很快的光探測器由光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極（打拿極）及電子收集極（陽極）等組成當(dāng)光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子經(jīng)聚焦極電場進入倍增系統(tǒng)，光電子被電場加速后撞擊第一倍增極上將產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這些二次發(fā)射的電子流又被加速撞擊到下一個倍增極，產(chǎn)生又一次的二次電子發(fā)射，連續(xù)地重復(fù)這一過程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射被陽極收集第二十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光電倍增管的光陰極和陽極之間有多個倍增極，放大倍數(shù)可達到108～1010

響應(yīng)時間很短，小于108秒，可實現(xiàn)“單光子計數(shù)”當(dāng)一個光子入射到光陰極K上，使光陰極上以幾率η逸出電子稱為量子效率。這個光電子繼續(xù)被更高的電壓加速而飛向第二倍增極。若每一前級光電子打出mi個次級電子，有n個倍增極，則倍增效益：A＝m1.m2……mn-1.mnPMT輸出脈沖分布噪聲光子脈沖幅度脈沖計數(shù)第二十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日CCD，英文全稱：Charge-coupledDevice，電荷耦合元件圖像傳感器1969年美國貝爾實驗室（BellLabs）的維拉·博伊爾(WillardS.Boyle)和喬治·史密斯（GeorgeE.Smith）發(fā)明。可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。2009年10月6日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎委員會宣布將該年度諾貝爾物理學(xué)獎授予一名中國香港科學(xué)家高錕(CharlesK.Kao)和兩名科學(xué)家維拉·博伊爾(WillardS.Boyle)和喬治·史密斯（GeorgeE.Smith）。CharlesK.Kao因在光通信領(lǐng)域中光的傳輸?shù)拈_創(chuàng)性成就而獲獎，博伊爾和史密斯因發(fā)明了成像半導(dǎo)體電路——電荷耦合元件圖像傳感器CCD獲此殊榮。CCD是使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料集成的，它能夠根據(jù)照射在其面上的光線產(chǎn)生相應(yīng)的電荷信號，在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成“0”或“1”的數(shù)字信號，可實現(xiàn)二維記錄第二十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日三、光譜測量牛頓通過玻璃棱鏡把太陽光展成從紅光到紫光的各種顏色的光譜，他發(fā)現(xiàn)白光是由各種顏色的光組成（1666年）渥拉斯頓（1802年）、夫瑯和費（1814年）彼此獨立地觀察到了光譜線，每條譜線只代表一種“顏色”的光；發(fā)現(xiàn)太陽光譜暗線1814～1815年之間，夫瑯和費公布了太陽光譜中的近600條暗線（現(xiàn)代發(fā)現(xiàn)有一萬多條暗線），并以字母來命名，其中有些命名沿用至今。此后便把這些線稱為夫瑯和費暗線他還觀察到其它恒星光譜中的暗線與太陽光譜中的暗線不完全相同；他是第一個使用光柵作分光元件的人；他的發(fā)現(xiàn)被科學(xué)界忽視了近半個世紀(jì)；他的墓碑上刻著“他接近了恒星”1.光譜：某種物質(zhì)發(fā)出或吸收后的光按波長排列形成光譜

第二十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日1859年10月，化學(xué)家本生、物理學(xué)家基爾霍夫用實驗證明了太陽暗線的D雙線是在鈉的光譜位置上；發(fā)現(xiàn)一團較冷的物質(zhì)蒸氣所吸收的波長，恰恰等于這種物質(zhì)熾熱發(fā)光時所發(fā)射的波長——吸收光譜法——天文學(xué)家開始以光譜分析作為一種天文研究手段第二十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日1884年6月25日，瑞士數(shù)學(xué)家巴耳末在巴斯勒自然科學(xué)協(xié)會的演講中公布了氫原子光譜的巴耳末公式（經(jīng)驗公式）：B=3.6456×10-7m=364.56nm，巴耳末常數(shù)1890年J.R.里德伯列出氫原子光譜波數(shù)公式——里德伯公式：發(fā)射光譜：發(fā)光物體直接發(fā)光產(chǎn)生的光譜

根據(jù)量子理論，原子中電子從高激發(fā)態(tài)E2躍遷到能量較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)E1時發(fā)出一定頻率的光，發(fā)光頻率原子光譜是線狀譜——明線光譜第二十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日如果E1和E2中任何一個可連續(xù)變化，的數(shù)值也將連續(xù)變化，產(chǎn)生連續(xù)光譜氣體、液體或固體，在壓強很大、密度很高時，由于原子間的作用很強，導(dǎo)致能級分裂，派生出許多新能級，這些能級接近，且原子數(shù)目很大，能級幾近連續(xù)，使譜線展寬，可能變成連譜光譜；或因譜線間隔很小，低分辨率的光譜儀無法分辨，形成連續(xù)光譜或帶狀光譜吸收光譜：連續(xù)光譜中某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜原子吸收光能，從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷，形成暗線光譜分子中原子之間存在振動、轉(zhuǎn)動，有復(fù)雜的轉(zhuǎn)動-振動能級，可以吸收光能，發(fā)生能級躍遷，形成連續(xù)的吸收光譜，或一個、多個吸收帶多數(shù)分子能級躍遷對應(yīng)光子波長?E約為1~20eV，波長1.25~0.06m紫外、可見區(qū)(電子)第二十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日?E約為0.5~1eV，波長25~1.25m(中)紅外區(qū)(振動)?E約為10-4~0.05eV，波長1.25cm~25m（遠）紅外區(qū)(轉(zhuǎn)動)分子的光譜是由許多線光譜聚集在一起的帶光譜組成的譜帶原子吸收光譜人類最早利用原子吸收光譜分析法的是化學(xué)家本生和物理學(xué)家基爾霍夫從1955年開始，原子吸收光譜成為一種實用的分析方法，這一年澳大利亞的瓦爾西(A.Walsh)發(fā)表了他的著名論文'原子吸收光譜在化學(xué)分析中的應(yīng)用'奠定了原子吸收光譜法的基礎(chǔ)。50年代末和60年代初，Hilger,VarianTechtron及Perkin-Elmer公司先后推出了原子吸收光譜商品儀器，發(fā)展了瓦爾西的設(shè)計思想。到了60年代中期，原子吸收光譜開始進入迅速發(fā)展的時期1959年,蘇聯(lián)里沃夫發(fā)表了電熱原子化技術(shù)的第一篇論文。電熱原子吸收光譜法的絕對靈敏度可達到10-12-10-14g第三十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日使用連續(xù)光源和中階梯光柵，結(jié)合使用光導(dǎo)攝象管、二極管陣列多元素分析檢測器，為解決多元素同時測定開辟了新的前景分子吸收光譜分子內(nèi)部運動狀態(tài)三種形式：①電子繞原子核作相對運動；②分子中原子或原子團在其平衡位置上作相對振動；③整個分子繞其重心作旋轉(zhuǎn)運動分子光譜可以分為電子光譜、轉(zhuǎn)動光譜、振動光譜價電子能級間能量差較大，對應(yīng)頻率：31014~1016，躍遷時，轉(zhuǎn)動、振動能級也發(fā)生變化，形成帶狀吸收譜分子轉(zhuǎn)動能級差很小，對應(yīng)頻率在：31010~1012，轉(zhuǎn)動光譜振動能級差較大，對應(yīng)頻率在：31012~1014，相應(yīng)吸收譜處在紅外波段，振動光譜第三十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日2.紅外光譜也是材料的吸收譜，與分子的轉(zhuǎn)-振能級間躍遷有關(guān)；對晶體材料則與晶格振動相關(guān)(1)振動頻率雙原子化學(xué)鍵按諧振動處理，設(shè)力常數(shù)為k，原子質(zhì)量ma、mb，振動頻率：存在的振動能級：其中V是振動量子數(shù)，取值：0，1，2，……相鄰的振動能級之間能量差為：h發(fā)生能級躍遷時，分子發(fā)射或吸收的光子頻率應(yīng)等于相鄰振動能級之間能量差h，與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)mamb/(ma+mb)=Mu：折合質(zhì)量，振子頻率：第三十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日力常數(shù)越大，頻率越高；振子質(zhì)量越大，振子頻率越低同樣原子間的力常數(shù)在不同分子中可能不同鍵分子k(N/cm)鍵分子k(N/cm)H-FHF9.7H-CCH2-CH25.1H-ClHCl4.8H-CCHCH5.9H-BrHBr4.1C-ClCH3Cl3.4H-IHI3.2C-C4.5~5.6H-OH2O7.8C=C9.5~9.9H-O游離7.12CC15~17H-SH2S4.3C-O5.0~5.8H-NNH36.5C=O12~13H-CCH3X4.7~5.0CN16~18第三十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日分子振動類型：伸縮振動、彎曲振動紅外光譜顯示多個基頻振動吸收峰，峰數(shù)與分子自由度數(shù)相關(guān)分子振動自由度數(shù)=3N（平動自由度+轉(zhuǎn)動自由度）簡并、強峰掩蓋弱峰、分子振動未發(fā)生瞬間偶極矩變化，不產(chǎn)生紅外吸收，減少吸收峰數(shù)每個分子振動自由度對應(yīng)一個吸收峰帶二氧化碳屬線型分子CO2（O=C=O），振動自由度=95=4，兩種彎曲振動的頻率相同，均為667cm1；對稱伸縮振動不發(fā)生瞬間偶極矩變化，不產(chǎn)生紅外吸收；非對稱伸縮振動對應(yīng)的吸收峰2349cm1OOC對稱伸縮振動OOC非對稱伸縮振動OOC彎曲振動1OOC彎曲振動2第三十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日水分子H2O屬非線型分子，振動自由度=96=3，一個彎曲振動，一個對稱伸縮振動、一個非對稱伸縮振動，各對應(yīng)一個吸收峰HHO彎曲振動HHO對稱伸縮振動HHO非對稱伸縮振動對于振動能量，非對稱伸縮振動能量最高，其次是對稱伸縮振動，彎曲振動能量最低(2)紅外光譜特點紅外特征譜帶區(qū)：4000~1333cm-1的區(qū)域，伸縮振動產(chǎn)生，吸收峰很少，易于辨認(rèn)，稱作特征譜帶區(qū)，用于鑒定官能團。重鍵及X-H（X=N、O、C）受分子內(nèi)其它元素影響小，振動頻率都在高頻區(qū)第三十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日基團頻率：與一定結(jié)構(gòu)聯(lián)系的特征振動頻率某些基團振動頻率較為穩(wěn)定，吸收峰位在恒定范圍內(nèi)，易于辨認(rèn)，另有一些基團不存在基團頻率N-H伸縮振動發(fā)生在35003300cm1范圍，其中非對稱振動在3500cm1附近，對稱振動在3400cm1附近CC、CN伸縮振動都出現(xiàn)在24003300cm1范圍CC、CN伸縮振動都出現(xiàn)在16861620cm1范圍紅外指紋區(qū)：1333~667cm-1的區(qū)域，除伸縮振動外，彎曲振動產(chǎn)生譜帶，該區(qū)域譜帶主要是C-X（X：C、N、O）型單鍵，鍵強、質(zhì)量接近，譜帶密集，猶如指紋，稱作指紋區(qū)。另有說法：此類振動與分子結(jié)構(gòu)相關(guān)度高，結(jié)構(gòu)稍有不同，光譜即有細(xì)微變化——指紋區(qū)相關(guān)峰：一個分子常有多個振動頻率，每種紅外活性的振動都有相應(yīng)的吸收峰，這些吸收峰是此分子的相關(guān)峰。若要判定材料中有某種分子存在，需要有相關(guān)峰佐證第三十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日紅外分光光度計：400~4000cm-1的區(qū)域由光源系統(tǒng)、單色器系統(tǒng)、光度計系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。系統(tǒng)光源為鹵鎢燈。單色器系統(tǒng)采用高性能平面光柵。光路如上圖。W:鎢燈,SI:入射狹縫,S2:出射狹縫,G:衍射光柵,M:扇形鏡,P:硫化鉛(3)紅外光譜測量第三十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日傅立葉紅外光譜儀Fourier變換紅外光譜儀沒有色散元件，主要由光源、Michelson干涉儀、檢測器、計算機和記錄儀組成。核心部分為Michelson干涉儀，它將光源來的信號以干涉圖的形式送往計算機進行Fourier變換的數(shù)學(xué)處理，最后將干涉圖還原成光譜圖第三十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日傅立葉變換1807年法國科學(xué)家傅立葉提出“任何周期信號都可以用正弦函數(shù)級數(shù)表示”1822年發(fā)表在《熱的分析理論》一書中。兩個主要論點：周期信號都可以表示為諧波關(guān)系的正弦信號的加權(quán)和非周期信號都可以用正弦信號的加權(quán)積分表示Fourier變換光譜儀利用Michelson干涉儀，動鏡移動時，經(jīng)過干涉儀的兩束相干光間的光程差就改變，探測器所測得的光強也隨之變化，從而得到干涉圖，然后進行Fourier變換：I(x)：采集到的干涉信號強度，：波數(shù)，x：兩束光的光程差第三十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日傅里葉變換光譜儀的優(yōu)點①多通道測量使信噪比提高；②沒有入射和出射狹縫限制，因而光通量高，提高了儀器的靈敏度；③以氦、氖激光波長為標(biāo)準(zhǔn)，波數(shù)值的精確度可達0.01cm-1；④增加動鏡移動距離就可使分辨本領(lǐng)提高；⑤工作波段可從可見區(qū)延伸到毫米區(qū)，使遠紅外光譜的測定得以實現(xiàn)；⑥實際測量時域信號，掃描速度非?？鞈?yīng)用：是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)和分析化學(xué)最常用和不可缺少的工具；在高聚物的構(gòu)型、構(gòu)象、力學(xué)性質(zhì)的研究以及物理、天文、氣象、遙感、材料、生物、醫(yī)學(xué)、刑偵、考古等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用第四十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日利用標(biāo)準(zhǔn)譜圖進行分析（i）薩特勒（Sadtler）標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖（ii）Aldrich紅外譜圖庫（iii）SigmaFourier紅外光譜圖庫先特征、后指紋；先強峰，后次強峰；先粗查，后細(xì)找；先否定，后肯定;尋找有關(guān)一組相關(guān)峰→佐證將特征譜帶區(qū)劃分為3段：40002500cm1：含H官能團伸縮振動25002000cm1：含三鍵化合物（如CC、CN等），及BH、PH、SH、SiH等基團。中等及弱峰20001333cm1：含C=O雙鍵伸縮振動在高頻區(qū)，強峰；C=C、C=N、N=O等偏低頻區(qū)將指紋區(qū)分兩段：1333900cm1：含C-O、C-F、C-N、C-P、C-Si、P-O、Si-O等單鍵伸縮振動，以及C=S、S=O、P=O等重鍵伸縮振動(4)識譜第四十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日900667cm1：可以指示(CH2)4基的存在、雙鍵的取代程度、構(gòu)型、苯環(huán)上取代基的位置，以及是否含鹵族元素等第四十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日3.散射光譜單色光輻射入氣體、液體、固體時，會有一部分受到散射，散射光中除了會觀察到與入射光波數(shù)相同的外，還可以觀察到=±成分的光1871年：LordRayleigh用經(jīng)典輻射理論論述了當(dāng)散射中心尺寸比入射光波長小得多時，散射光頻率不變、偏振特性和散射光強依賴于觀測方向的現(xiàn)象，命名為瑞利散射1922年：L.Brillouin從理論上預(yù)言多普勒效應(yīng)可以引起頻率改變的散射,命名為布里淵散射1923年：A.Smekal在Naturuiss上發(fā)表論文，從理論上預(yù)言Raman光譜的存在SirC.V.Raman1928年：印度C.V.RamanandK.S.Krishman在Nature上發(fā)表論文，宣布在液體的實驗中發(fā)現(xiàn)Raman光譜的存在，此效應(yīng)以Raman命名，1930年獲諾貝爾獎第四十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日1928年：俄國G.LandsbergandL.Mandelstam在石英中觀察到頻率改變的光散射現(xiàn)象（Naturuiss，16，557，772,1928）法國Cabannes(Compt.rend.,186,1201,1928)和Rocard(Compt.rend.,186,1107,1928)證實了C.V.Raman與K.S.Krishman的觀察結(jié)果1930年：E.Gross(Z.Physik,63,685,1930)在實驗中觀察到布里淵散射Rayleigh彈性散射=0Brillouin非彈性(聲子)0，0.011cm-1Raman非彈性(分子)0，10104cm-1拍頻技術(shù)F-P干涉儀光柵單色儀Raman時期的Raman光譜測量：用汞燈，太陽光做實驗，利用攝譜儀記錄譜圖，8小時取譜（易得的，高散射截面分子）激光出現(xiàn)引起革命：高亮度，單色，準(zhǔn)直，相干第四十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日第四十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日測量散射光譜的系統(tǒng)①區(qū)分入射，散射②壓制雜散Rayleigh光③Brillouim——F-P④Raman——雙光柵，三光柵，notchfilter+單光柵Raman散射的能量轉(zhuǎn)移模型E=E2E1=hcE2E1E2E1散射光與入射光頻率相同——瑞利散射E=E2E1=hc散射光小于入射光頻率——拉曼散射（斯托克斯）第四十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日E2E1E=E2E1=hc散射光大于入射光頻率——拉曼散射（反斯托克斯）斯托克斯反斯托克斯瑞利散射拉曼頻移，單位：cm-1斯托克斯線的強度要高于反斯托克斯線：根據(jù)玻爾茲曼分布率布居數(shù)正比于eE/kT，即處于高能量狀態(tài)的分子數(shù)小于處于低能量狀態(tài)的分子數(shù)第四十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日拉曼散射頻移與分子振動能級有關(guān)，與激發(fā)光頻率無關(guān)拉曼光譜儀：激光拉曼光譜儀（激發(fā)光：紫外、可見激光）傅立葉拉曼光譜儀（紅外激光）HORIBAJOBINYVONU1000型高性能雙級激光拉曼光譜儀第四十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光電采集系統(tǒng)激光器樣品光聚集系統(tǒng)放大器控制記錄系統(tǒng)激光拉曼光譜儀示意圖雙單色儀系統(tǒng),也稱雙級拉曼光譜儀.激發(fā)光打在樣品上，產(chǎn)生的散射光包括瑞利散射和拉曼散射。經(jīng)光聚集系統(tǒng)（透鏡、陷波濾波器、狹縫），把瑞利散射光濾掉，其它頻率的光進入光譜儀。經(jīng)色散元件和反射鏡將散射光展開進入光電采集系統(tǒng)，在經(jīng)放大記錄第四十九頁，共六十九頁，編輯