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1、第二章光分析法第二章光分析法导导论论本讲稿第一页，共三十五页概述概述光的性质及其与物质的相互作用光的性质及其与物质的相互作用光分析法的分类光分析法的分类本讲稿第二页，共三十五页2.1 2.1 概述概述光学分析法光学分析法 以物质的光学性质为基础建立的分析方法。以物质的光学性质为基础建立的分析方法。根据物质发射的电磁辐射或物质与辐射的相互作用根据物质发射的电磁辐射或物质与辐射的相互作用建立起来的一类分析方法。建立起来的一类分析方法。任何光学分析法包括三个任何光学分析法包括三个主要过程主要过程：能源提供能量能源提供能量 能量与被测物质相互作用能量与被测物质相互作用 产生被检测讯号产生被检测讯号 光
2、学分析法的光学分析法的发展发展本讲稿第三页，共三十五页太阳光是复合光，不是单色光。太阳光是复合光，不是单色光。利用棱镜的折射作用可以把复合光分散开来。利用棱镜的折射作用可以把复合光分散开来。本讲稿第四页，共三十五页本讲稿第五页，共三十五页本讲稿第六页，共三十五页混合物难以鉴别混合物难以鉴别。本讲稿第七页，共三十五页本讲稿第八页，共三十五页本讲稿第九页，共三十五页太阳中含有太阳中含有92中元素，其中氢、氦、氧、氮等。中元素，其中氢、氦、氧、氮等。本讲稿第十页，共三十五页2.2 2.2 光学性质及其物质的相互作用光学性质及其物质的相互作用2.2.1 光光电磁辐射电磁辐射 光光是一种电磁辐射（电磁波
3、）是一种以巨大速度通是一种电磁辐射（电磁波）是一种以巨大速度通过空间而不需要任何物质作为传播媒介的光（量）子流，过空间而不需要任何物质作为传播媒介的光（量）子流，它具有它具有波粒二象性波粒二象性。2.2.1.1光的光的波动性波动性：波长、波数、频率：波长、波数、频率 相同振动相位的相邻两点的相同振动相位的相邻两点的线性距离线性距离、每厘米、每厘米波的波的数数目、每秒波动目、每秒波动次数次数本讲稿第十一页，共三十五页本讲稿第十二页，共三十五页二、二、LambertBeer定律定律 朗伯朗伯(Lambert)和比耳和比耳(beer)分别于分别于1760年和年和1852年研究了光的吸收与有色溶液液层
4、的厚度及年研究了光的吸收与有色溶液液层的厚度及溶液浓度的定量关系，奠定了分光光度分析法的溶液浓度的定量关系，奠定了分光光度分析法的理论基础。理论基础。LambertBeer定律的数学表达式。定律的数学表达式。本讲稿第十三页，共三十五页二、二、LambertBeer定律定律称为称为透光率透光率，用符号，用符号T表示表示 式中：式中：称为称为吸光度吸光度，用符号用符号A表示表示 本讲稿第十四页，共三十五页二、二、LambertBeer定律定律吸光度与透光率之间的关系为：吸光度与透光率之间的关系为：三、吸光系数三、吸光系数(一一)物理意义：物理意义：吸光物质在吸光物质在单位浓度单位浓度及及单位厚度单
5、位厚度时的吸时的吸光度。光度。本讲稿第十五页，共三十五页2.2 2.2 光学性质及其物质的相互作用光学性质及其物质的相互作用2.2.1.2光的光的微粒性微粒性：每个光子具有的能量：每个光子具有的能量R射线射线：0.1nm r射线发射、核反应射线发射、核反应X射线：射线：0.1-1.0nm x射线吸收发射、电子（内层）射线吸收发射、电子（内层）紫外：紫外：10-200-400nm紫外吸收紫外吸收可见可见：400-780nm 紫外可见、电子（外层）紫外可见、电子（外层）红外红外：0.78-2.5-50-1000um红外吸收、拉曼，分子振动红外吸收、拉曼，分子振动微波微波：0.1-100cm微波吸收
6、、电子自旋共振、分子转动微波吸收、电子自旋共振、分子转动无线电：无线电：1-100m核磁共振核磁共振本讲稿第十六页，共三十五页本讲稿第十七页，共三十五页本讲稿第十八页，共三十五页2.3 光与物质的相互作用光与物质的相互作用2.3.1光的吸收、发射光的吸收、发射光的光的吸收吸收：当光与物质接触时，某些频率的光波选择：当光与物质接触时，某些频率的光波选择性吸收并使其强度减弱的现象。性吸收并使其强度减弱的现象。实质实质：光的能量转移到物质的分子或原子中去了。使物：光的能量转移到物质的分子或原子中去了。使物质中原子或分子由能量较低的状态上升为能量较高的状质中原子或分子由能量较低的状态上升为能量较高的状
7、态。态。光的光的发射发射：当受激物质从高能态回到低能态时，往：当受激物质从高能态回到低能态时，往往以光的辐射形式释放出多余的能量。往以光的辐射形式释放出多余的能量。本讲稿第十九页，共三十五页2.3.2 2.3.2 光的投射、散射、和折射光的投射、散射、和折射光的光的投射投射：光通过透明介质，能量不变，频率不光通过透明介质，能量不变，频率不变，知识速度变慢的现象。变，知识速度变慢的现象。光的光的散射散射：光透过不均匀介质，一部分光沿着其光透过不均匀介质，一部分光沿着其他方向传播。他方向传播。光的光的折射折射：光从一透明介质进入另外一种透明光从一透明介质进入另外一种透明介质时，光的方向发生改变。介
8、质时，光的方向发生改变。色散色散：物质对光的折射率随着光的频率变化而变物质对光的折射率随着光的频率变化而变化。化。本讲稿第二十页，共三十五页2.3.3 2.3.3 光的干涉、衍射和偏振光的干涉、衍射和偏振光的光的干涉干涉：当频率、振动方向、周相相同的光源当频率、振动方向、周相相同的光源所发射的想干光波互相叠加时，产生明暗相间条纹。所发射的想干光波互相叠加时，产生明暗相间条纹。光的光的衍射衍射：光波绕过障碍物而弯曲后传播的现象。光波绕过障碍物而弯曲后传播的现象。光的光的偏振偏振：天然光通过某些物质后，变为只是天然光通过某些物质后，变为只是在一个固定方向有振动的光。在一个固定方向有振动的光。本讲稿
9、第二十一页，共三十五页本讲稿第二十二页，共三十五页光分析法的分类光分析法的分类光谱法：基于物质内部能级之间的跃迁而光谱法：基于物质内部能级之间的跃迁而产生的发射、吸收、及散射光谱的强度随产生的发射、吸收、及散射光谱的强度随波长的变化，所得的图谱叫光谱，利用光波长的变化，所得的图谱叫光谱，利用光谱进行定性定量和结构分析的方法。谱进行定性定量和结构分析的方法。非光谱法：基于电磁波与物质作用时，引非光谱法：基于电磁波与物质作用时，引起电磁辐射的某些性质的变化的分析法。起电磁辐射的某些性质的变化的分析法。本讲稿第二十三页，共三十五页常用的光学分析法常用的光学分析法辐射的发射辐射的发射 1.发射光谱法发
10、射光谱法2.荧光光谱法荧光光谱法3.火焰光谱法火焰光谱法4.放射化学法放射化学法1.色比法色比法2.分光光度法分光光度法3.原子吸收法原子吸收法4.核磁共振法核磁共振法5.电电子自旋共振法子自旋共振法1.拉曼光拉曼光谱谱法法2.散射散射浊浊度法度法1.折射法折射法2.干涉法干涉法1.X射射线线衍射法衍射法2.电电子衍射法子衍射法1.偏振法偏振法2.旋光法旋光法3.圆圆二向性法二向性法辐辐射的吸收射的吸收 辐射的散射辐射的散射辐射的折射辐射的折射辐射的衍射辐射的衍射辐射的旋转辐射的旋转本讲稿第二十四页，共三十五页光谱法原理光谱法原理1.光谱产生的原理光谱产生的原理转动：分子围绕其质量中心的转动转
11、动：分子围绕其质量中心的转动振动：分子中原子间的相对运动振动：分子中原子间的相对运动电子：分子中电子相对原子核的运动电子：分子中电子相对原子核的运动平动：分子整体运动平动：分子整体运动 E总总=E0+E平平+E转转+E振振+E电电在同一中电子能级中，因振动能量的不同在同一中电子能级中，因振动能量的不同又分为几个又分为几个振动能级振动能级，而在同一振动能级，而在同一振动能级中，又因分子转动能量的不同分为几个中，又因分子转动能量的不同分为几个转转动能级动能级。本讲稿第二十五页，共三十五页(1)电子能级跃迁电子能级跃迁 所需的能量较大，其能量在所需的能量较大，其能量在120eV，产，产生的吸收光谱主
12、要处于生的吸收光谱主要处于紫外可见光区紫外可见光区(200780nm)；(2)振动能级跃迁振动能级跃迁 振动能级的能量差约为振动能级的能量差约为0.0251eV，跃，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱红外光谱或分子振转光谱；或分子振转光谱；(一一)分子吸收光谱分子吸收光谱本讲稿第二十六页，共三十五页(3)转动转动能能级跃级跃迁迁 振振动动能能级级的能量差的能量差约约为为0.0250.003eV，跃跃迁迁产产生的吸收光生的吸收光谱谱位于位于远红远红外区外区,远红远红外光外光谱谱或分子或分子转动转动光光谱谱；(4)吸收光吸收光谱谱的波的波长长分布是由分布是由产产生生
13、谱带谱带的的跃跃迁能迁能级间级间的的能能量差量差所决定，反映了分子内部能所决定，反映了分子内部能级级分布状况，是分布状况，是物物质质定性的依据定性的依据；本讲稿第二十七页，共三十五页电子能级间跃迁电子能级间跃迁的同时，总的同时，总伴随伴随有振动和转动能有振动和转动能级间的跃迁级间的跃迁。即。即电子光谱中总包电子光谱中总包含有振动能级和含有振动能级和转动能级间跃迁转动能级间跃迁产生的若干谱线产生的若干谱线而呈现而呈现宽谱带宽谱带。(一一)分子吸收光谱分子吸收光谱本讲稿第二十八页，共三十五页分分类类：1.物物质类质类型型不同：原子光不同：原子光谱谱、分子光、分子光谱谱、固体光固体光谱谱。2.光光谱
14、产谱产生方式生方式：发发射光射光谱谱、吸收光、吸收光谱谱、散射光散射光谱谱。3.光光谱谱的的性性质质和形状和形状：线线状光状光谱谱、带带状光状光谱谱、连续连续光光谱谱。本讲稿第二十九页，共三十五页分子光谱分子光谱分子光谱：分子光谱：就是测量分子转动能级、分子中原子的就是测量分子转动能级、分子中原子的能动能级能动能级（包括分子转动能级）和分子（包括分子转动能级）和分子电子能级电子能级（包（包括振括振-转能级）跃迁所产生的分子光谱为基础的定性、转能级）跃迁所产生的分子光谱为基础的定性、定量和物质结构分析法。定量和物质结构分析法。对于分子光谱的意义：对于分子光谱的意义：能级跃迁包括能级跃迁包括吸收外
15、来吸收外来的辐射的辐射和把吸收的能量再和把吸收的能量再以光发射形式放出以光发射形式放出而回复而回复到基态的两个过程。到基态的两个过程。本讲稿第三十页，共三十五页吸收光谱吸收光谱吸收光谱：是物质吸收相应得辐射能而产吸收光谱：是物质吸收相应得辐射能而产生的光谱。生的光谱。其产生的其产生的必要条件必要条件是所提供的辐射能量恰是所提供的辐射能量恰好满足该吸收物质两能级间跃迁所需要的好满足该吸收物质两能级间跃迁所需要的能量。能量。本讲稿第三十一页，共三十五页发射光谱发射光谱发射光谱：是指构成物质的原子、离子或发射光谱：是指构成物质的原子、离子或分子受到辐射能、热能、电能或化学能的分子受到辐射能、热能、电
16、能或化学能的激发而产生的光谱。激发而产生的光谱。物质发射的光谱有三种物质发射的光谱有三种线状光谱线状光谱：由气态或高温下物质在离解为：由气态或高温下物质在离解为原子或离子时被激发而发射的光谱。原子或离子时被激发而发射的光谱。带状光谱带状光谱：是由分子被激发而发射的光谱。：是由分子被激发而发射的光谱。连续光谱连续光谱：是由炽热的固体或液体发射的。：是由炽热的固体或液体发射的。本讲稿第三十二页，共三十五页原子光谱原子光谱分子光谱分子光谱本讲稿第三十三页，共三十五页质谱质谱质谱是分子离子和碎片离子依其质荷比大质谱是分子离子和碎片离子依其质荷比大小依次进行排列所成的质量谱。小依次进行排列所成的质量谱。用以确定分子的原子组成、分子量、分子用以确定分子的原子组成、分子量、分子式、分子结构的方法。式、分子结构的方法。本讲稿第三十四页，共三十五页光学仪器光学仪器三个基本部件：三个基本部件：辐射源，即光源。辐射源，即光源。把光源辐射分解为把光源辐射分解为“单色单色”组成的单色器。组成的单色器。辐射检测器和显示装置。辐射检测器和显示装置。本讲稿第三十五页，共三十五页