光學(xué)分析法引論

光學(xué)分析法引論第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日光學(xué)分析方法：利用光電轉(zhuǎn)換或其它電子器件測(cè)定“輻射與物質(zhì)相互作用”之后的輻射強(qiáng)度等光學(xué)特性，進(jìn)行物質(zhì)的定性和定量分析的方法。歷史上，此相互作用只是局限于電磁輻射與物質(zhì)的作用，這也是目前應(yīng)用最為普遍的方法?，F(xiàn)在，光譜方法已擴(kuò)展到其它各種形式的能量與物質(zhì)的相互作用，如聲波、粒子束（離子和電子）等與物質(zhì)的作用。

第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日一、電磁輻射的性質(zhì)

1.光的波動(dòng)性及粒子性

波動(dòng)性

電磁輻射為正弦波，與其它波（如聲波）不同，電磁波不需傳播介質(zhì)，可在真空中傳輸。波的傳播以及反射、衍射、干涉、折射和散射。第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日磁場(chǎng)M傳播方向電場(chǎng)E單光色平面偏振光的傳播一般情況下，僅用電場(chǎng)矢量表示電磁輻射就可以了。波動(dòng)性第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)物質(zhì)發(fā)射電磁輻射或者電磁輻射被物質(zhì)吸收時(shí)，就會(huì)發(fā)生能量躍遷。此時(shí)，電磁輻射不僅具有波的特征，而且具有粒子性。光的粒子性第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日

能態(tài)（Energystate）

量子理論(MaxPlanck，1900)：

物質(zhì)粒子總是處于特定的不連續(xù)的能量狀態(tài)，即能量是量子化的；處于不同能量狀態(tài)粒子之間發(fā)生能量躍遷時(shí)的能量差E可用h表示。

光的粒子性第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日光的粒子性

兩個(gè)重要推論：物質(zhì)粒子存在不連續(xù)的能態(tài)，各能態(tài)具有特定的能量。當(dāng)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，該粒子將吸收或發(fā)射完全等于兩個(gè)能級(jí)之間的能量差；反之亦是成立的，即E=E1-E0=h第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日電磁波用以下參數(shù)描述：（1）周期T

相鄰兩個(gè)波峰或波谷通過某一固定點(diǎn)所需要的時(shí)間間隔稱為周期，單位為s(秒)。（2）頻率ν

單位時(shí)間內(nèi)通過傳播方向上某一點(diǎn)的波峰或波谷數(shù)目，即單位時(shí)間內(nèi)電磁波振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率。單位：1/s（1/秒），赫（以Hz表示）。

ν＝1/T第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日電磁波用以下參數(shù)描述：（3）波長(zhǎng)λ相鄰兩個(gè)波峰或波谷的直線距離。第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日電磁波用以下參數(shù)描述：（3）波長(zhǎng)λ

波長(zhǎng)的單位：m(米)、cm（厘米）、μm(微米)、nm(納米)、(埃)。第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日電磁波用以下參數(shù)描述：（4）波數(shù)每厘米長(zhǎng)度內(nèi)含有的波長(zhǎng)數(shù)目，即波長(zhǎng)的倒數(shù)，單位為cm-1(厘米-1).第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日電磁波用以下參數(shù)描述：（5）光電子能量E

電磁輻射不僅具有波的特征，而且具有粒子性，即由光子（或稱光量子）組成，光子具有能量E.

E與光波的頻率或波長(zhǎng)的關(guān)系為：不同波長(zhǎng)的光具有不同的能量，能量與波長(zhǎng)成反比。E單位：焦（J）、爾格（erg）、電子伏特（eV）h－－普朗克常數(shù)，h＝6.626×10-34J·s；C為光速。第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日電磁波用以下參數(shù)描述：（5）光電子能量E1爾格（erg）＝10-7焦(J)1eV等于1個(gè)電子在電場(chǎng)中通過1V電位差時(shí)，所獲得的動(dòng)能。1eV=1.6×10-12爾格＝1.6×10-19焦第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日電磁波用以下參數(shù)描述：波的性質(zhì)描述：（1）周期T（2）頻率ν（3）波長(zhǎng)λ（4）波數(shù)粒子性描述（5）光電子能量E波動(dòng)性及粒子性二者之間的關(guān)系普朗克方程不同波長(zhǎng)的光具有不同的能量，能量與波長(zhǎng)成反比。第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日電磁波用以下參數(shù)描述：例題：波長(zhǎng)為200nm的電磁波，其能量是多少電子伏特（eV）？解：第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日一、電磁輻射的性質(zhì)

2.電磁波譜

電磁輻射按其波長(zhǎng)順序排列起來稱為電磁波譜。在不同的波譜區(qū)域具有不同的輻射類型，它們與物質(zhì)作用的形式也不相同。由此建立了各種光譜（光化學(xué)）分析法。

<0.005nm0.005～10nm10～200nm200～400nm400～800nm-射線X-射線遠(yuǎn)紫外近紫外可見光0.8～2.5μm

2.5～50μm

50～1000μm

1～300mm>300mm近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外微波無線電波第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日波譜區(qū)域波長(zhǎng)范圍（nm）光子能量（eV）能級(jí)躍遷類型光譜（光學(xué)）分析方法-射線

<0.005nm>2.5×105核能級(jí)-射線發(fā)射光譜、穆斯堡爾譜X-射線

0.005～10nm2.5×105～1.2×102內(nèi)層電子能級(jí)X-射線吸收、發(fā)射光譜遠(yuǎn)紫外

10～200

nm1.2×102～6.2外層電子能級(jí)真空紫外吸收光譜近紫外

200～400nm6.2～3.1外層電子能級(jí)紫外－可見（吸收、發(fā)射）光譜、熒光光譜可見光

400～800nm3.1～1.6外層電子能級(jí)紅外

0.8～1000μm

1.6～1.2×103分子振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)紅外吸收光譜、拉曼光譜微波

1～300mm1.2×103～4.1×106分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)、電子自旋能級(jí)微波吸收波譜、順磁共振波譜、電子自旋共振波譜無線電波

>300mm<4.1×10-6核自旋能級(jí)核磁共振波譜第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日二、光與物質(zhì)的作用電磁波通過某一介質(zhì)時(shí)，可發(fā)生：吸收發(fā)射散射折射和反射干涉和衍射

第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日二、光與物質(zhì)的作用拉曼（Raman）散射

頻率為0

的單色光照射透明物質(zhì)，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)生能量交換引起，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，則稱為Raman散射。這種散射光的頻率（νm）與入射光的頻率不同，稱為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)的方法稱為Raman光譜法。第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日三、光學(xué)分析法的分類1.非光譜法

非光譜法是基于物質(zhì)與輻射相互作用時(shí)，測(cè)量輻射的某些性質(zhì)，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等變化的分析方法。2.光譜法是基于物質(zhì)與輻射能作用時(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)度進(jìn)行分析的方法。

光譜法可分為原子光譜法和分子光譜法。第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2.光譜法原子光譜法是由原子外層或內(nèi)層電子能級(jí)的變化產(chǎn)生的，它的表現(xiàn)形式為線光譜。屬于這類分析方法的有原子發(fā)射光譜法（AES）、原子吸收光譜法（AAS），原子熒光光譜法（AFS）以及X射線熒光光譜法（XFS）等。第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日2.光譜法分子光譜法是由分子中電子能級(jí)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的變化產(chǎn)生的，表現(xiàn)形式為帶光譜。屬于這類分析方法的有紫外-可見分光光度法（UV-Vis），紅外光譜法（IR），分子熒光光譜法（MFS）和分子磷光光譜法（MPS）等。第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日三、光學(xué)分析法的分類

2.光譜法吸收光譜法發(fā)射光譜法

第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日吸收光譜法

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)間躍遷所需的能量滿足△E=hv

的關(guān)系時(shí)，將產(chǎn)生吸收光譜。

M+hvM*第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日吸收光譜法紫外-可見分光光度法原子吸收光譜法紅外光譜法核磁共振波譜法電子自旋共振波譜法Mōssbauer（莫斯鮑爾）譜法第二十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日發(fā)射光譜法物質(zhì)通過電致激發(fā)、熱致激發(fā)或光致激發(fā)等激發(fā)過程獲得能量，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子或分子M*

，當(dāng)從激發(fā)態(tài)過渡到低能態(tài)或基態(tài)時(shí)產(chǎn)生發(fā)射光譜。

M*

M+hv

通過測(cè)量物質(zhì)的發(fā)射光譜的波長(zhǎng)和強(qiáng)度