第二章光學分析法課件

第二章光

學

分

析

法光學分析法概述第一節(jié)

1.電磁輻射：光是一種電磁輻射（又稱電磁波），它具有波動性與粒子性。光的波動性主要體現(xiàn)為光的反射、折射、干涉、衍射以及偏振等現(xiàn)象，常用波長λ、波數(shù)σ和頻率v來表征。波長、波數(shù)和頻率的關系為：

式中，ｃ為光在真空中的傳播速度，ｃ＝2.997925×108m/s。一、電磁輻射的性質

光的粒子性主要體現(xiàn)在熱輻射、光的吸收和發(fā)射、光電效應以及光的化學作用等方面。

光的粒子性用每個光子具有的能量E作為表征。光子的能量與波長成反比，與頻率成正比，波長愈長，光子能量愈??；波長愈短，光子能量愈大。它們的關系如下：

式中，h是普朗克(Planck)常數(shù)，h＝6.6262×10-34J·s；E為光子能量，單位常用電子伏特（eV）或焦耳（J）（1eV＝1.6022×10-19J）。

2.電磁波譜

電磁波譜分區(qū)表電磁輻射區(qū)段波長范圍能級躍遷的類型γ射線10-3～0.1nm原子核能級X射線0.1～10nm內層電子能級遠紫外輻射10～200nm內層電子能級

紫外輻射200～400nm價電子或成鍵電子能級

可見光區(qū)400～760nm價電子或成鍵電子能級

近紅外輻射0.76～2.5μm涉及氫原子的振動能級

中紅外輻射2.5～50μm原子或分子的振動能級

遠紅外輻射50～500μm分子的轉動能級

微波區(qū)0.3mm～1m電子自旋及核自旋能級無線電波區(qū)1～1000m磁場誘導核自旋能級能級3、電磁輻射與物質的相互作用電磁輻射照射物質時，其傳播方向、速度等物理性質發(fā)生改變。電磁輻射照射物質時，發(fā)生能量轉移，使物質內部有相應的能級躍遷7吸收發(fā)射散射物質能量變化透射、反射折射散射衍射旋光

物質能量不變化熒光磷光→拉曼物質的結構不同，與電磁輻射發(fā)生相互作用所需要的能量也不同，只有當電磁輻射的能量與物質結構發(fā)生改變所需要的能量相等時，電磁輻射與物質之間才能發(fā)生相互作用而被吸收。也就是說，物質對光具有選擇性吸收。光的顏色波長范圍(nm)光的顏色

波長范圍(nm)紅色760～650青色500～480橙色650～610

藍色480～450黃色610～560

紫色450～400綠色560～500近紫外400～200物質對光的選擇性吸收

單一波長的光稱為單色光；由不同波長的光混合而成的光稱為復合光。如果讓一束復合光通過棱鏡或光柵，就能散射出多種顏色的光，這種現(xiàn)象稱為光的色散。如果兩種適當顏色的單色光按一定強度比例混合，可以得到白光，則這兩種單色光互稱補色光。溶液呈現(xiàn)不同的顏色，是由于溶液中的溶質（分子或離子）選擇性地吸收了白光中某種顏色的光而引起的。當一束白光通過某溶液時，如果該溶液對任何顏色的光都不吸收，則溶液無色透明；如果該溶液對任何顏色的光的吸收程度相同，則溶液灰暗透明；如果溶液吸收了其中某一顏色的光，則溶液呈現(xiàn)透過光的顏色，即呈現(xiàn)溶液所吸收色光的補色光的顏色。例如高錳酸鉀溶液能夠吸收白光中的青綠色光而呈現(xiàn)紫紅色。電磁輻射的發(fā)射

指物質吸收了外界的能量（包括電能、熱能、電磁輻射能、電子或其它基本粒子轟擊等），使處于激發(fā)態(tài)的粒子（離子、原子或分子）在返回到低能級或基態(tài)時，以電磁輻射的形式釋放出多余的能量。拉曼散射：非彈性碰撞，方向及波長均改變樣品池透過光λ不變瑞利散射λ不變拉曼散射λ變

入射電磁輻射能量與介質基態(tài)/激發(fā)態(tài)間的能量差不相等——物理性質發(fā)生改變折射、反射、透射干涉衍射光學分析法非光譜法光譜法根據(jù)待測物質（原子或分子）發(fā)射或吸收的電磁輻射，以及待測物質與電磁輻射的相互作用而建立起來的定性、定量和結構分析方法，統(tǒng)稱為光學分析法。不以光的波長為特征訊號，僅通過測量電磁輻射的某些基本性質（反射、折射、干涉、衍射和偏振）的變化的分析方法。根據(jù)能級躍遷所產(chǎn)生的電磁輻射強度隨波長變化所得到的圖譜稱為光譜。利用光譜進行定性、定量和結構分析的方法。

二、光學分析法的分類光譜法原子發(fā)射光譜法原子熒光光譜法熒光光譜法化學發(fā)光法原子吸收光譜法紫外-可見分光光譜法紅外光譜法X射線吸收光譜法核磁共振波譜法拉曼散射光譜法

1.光譜法吸收光譜法散射光譜法發(fā)射光譜法

線光譜：對于特定由狹窄譜線組成的光譜。通常原子光譜是線狀光譜。當原子能量從較高能級向較低能級躍遷時，就輻射出波長單一的光波，由于能級本身有一定寬度和多普勒效應等原因，原子所輻射的光譜線總會有一定寬度（譜線增寬）；即在較窄的波長范圍內仍包含各種不同的波長成分。

線光譜、帶光譜、連續(xù)光譜

帶光譜：通常分子光譜是帶狀光譜。帶狀光譜是分子在其振動和轉動能級間躍遷時輻射出來的，利用高分辨率光譜儀觀察時，每條譜帶實際上是由許多緊挨著的譜線組成。

連續(xù)光譜：固體在熾熱狀態(tài)下會產(chǎn)生黑體輻射，黑體輻射是通過熱能激發(fā)凝聚體中無數(shù)原子和分子振蕩產(chǎn)生的輻射躍遷，輻射波長范圍隨溫度升高向短波方向擴展。由于無數(shù)原子和分子振蕩產(chǎn)生輻射躍遷的能量非常接近，因而表現(xiàn)為連續(xù)光譜。線光譜、帶光譜、連續(xù)光譜非光譜法折射法衍射法干涉法旋光法散射濁度法

2.非光譜法粉末X射線衍射儀

第三節(jié)

一般光譜分析儀器光譜儀：研究吸收、發(fā)射的電磁輻射強度和波長關系的儀器光譜分析儀器基本組成輻射源單色系統(tǒng)試樣容器檢測器信號處理器或讀出裝置原子發(fā)射光譜儀吸收光譜儀熒光光譜儀

一、輻射源要求：強度大(分析靈敏度高)、穩(wěn)定(分析重現(xiàn)性好)

二、單色系統(tǒng)作用：將復合光分解成單色光或有一定寬度的譜帶。

組成：由入射狹縫、出射狹縫、準直鏡、色散元件等組成

棱鏡依據(jù)光的折射現(xiàn)象進行分光；玻璃或石英制成

光柵利用多狹縫干涉和單狹縫衍射聯(lián)合作用分光光柵透射光柵反射光柵平面反射光柵凹面反射光柵通過干涉現(xiàn)象，得到明暗相間的干涉條紋

干涉儀石英或熔融石英：紫外光—可見光—3m；

玻璃：可見光區(qū)（350-2000nm）；透明塑料：可見光區(qū)（350-2000nm）；鹽窗（NaCl,NaBr晶體）：紅外光區(qū)。三、試樣容器

除發(fā)射光譜外，其它所有光譜分析都需要樣品池(吸收池)，常由光透明材料制成。

熱檢測器: