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1、光谱分析法引论 第一页，讲稿共二十七页哦一、一、光分析法及其特点光分析法及其特点 optical analysis and its characteristics 光分析法光分析法：基于基于电磁辐射能量电磁辐射能量与待测物质与待测物质相互作用相互作用后所后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法；方法；电磁辐射范围：射线电磁辐射范围：射线无线电波所有范围；无线电波所有范围；相互作用方式相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射、：发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；干涉、衍射等；光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析
2、等方光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可区代的地位；面具有其他方法不可区代的地位；第二页，讲稿共二十七页哦三个基本过程：三个基本过程：（1）能源提供能量；能源提供能量；（2）能量与被测物之间的相互作用；能量与被测物之间的相互作用；（3）产生信号。产生信号。基本特点基本特点：（1）所有光分析法均包含三个基本过程；所有光分析法均包含三个基本过程；（2）选择性测量，不涉及混合物分离（不选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；同于色谱分析）；（3）涉及大量光学元器件。涉及大量光学元器件。第三页，讲稿共二十七页哦二、电磁辐射的基本性质二、电磁辐射的基本性质电磁辐射（电
3、磁波）：电磁辐射（电磁波）：一种高速度通过空间传播的光量子一种高速度通过空间传播的光量子流流,它具有波粒二象性。它具有波粒二象性。2.1 2.1 电磁辐射波动性电磁辐射波动性波长波长（）：）：表示相邻两个光波各相应点间的直线距离（或表示相邻两个光波各相应点间的直线距离（或相应两个波峰或波谷间的直线距离）。相应两个波峰或波谷间的直线距离）。波数（波数（）：）：指在单位长度内波的数目。指在单位长度内波的数目。频率（频率（）：）：指在指在1 1秒时间内经过某点的波数（即每秒内秒时间内经过某点的波数（即每秒内振动的次数）。振动的次数）。c=/=104/(m)c：光速；：光速；：波长；：波长；：频率：频
4、率:赫兹；赫兹；：波数：波数 cm-1；：波长：波长：nm m第四页，讲稿共二十七页哦电磁波的波动性质电磁波的波动性质(1)散射散射 丁铎尔散射（丁铎尔散射（dd入）和分子散射（入）和分子散射（dd入）；入）；(2)(2)折射和反射折射和反射 折射是光在两种介质中的传播速度不折射是光在两种介质中的传播速度不同；同；(3)干涉干涉 干涉现象；（频率相同、振动相同、周相相等或周干涉现象；（频率相同、振动相同、周相相等或周相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时产生）相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时产生）(4)衍射衍射 光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；光绕过物体而弯曲地向他后面传播
5、的现象；第五页，讲稿共二十七页哦第六页，讲稿共二十七页哦2.2 微粒性微粒性 E=h=h c/E：能量；能量；h：普朗克常数：普朗克常数 2.3 物质的能态物质的能态 基态：原子或分子的最低能态基态：原子或分子的最低能态 激发态：较高能态激发态：较高能态2.4 电磁波谱电磁波谱 电磁辐射按波长顺序排列称为电磁波谱。电磁辐射按波长顺序排列称为电磁波谱。它反映了物质内能量的变化，任一波长光子的能量与物质内的原它反映了物质内能量的变化，任一波长光子的能量与物质内的原子或分子的能级变化子或分子的能级变化（E）相对应，它们之间的关系为：相对应，它们之间的关系为：第七页，讲稿共二十七页哦E=E1-E2=E
6、L=h =h c/EL为能量，单位为为能量，单位为J或或ev，1ev=1.602 10-19 Jh为普朗克常数为普朗克常数6.626 10-34J.s；为频率，单位为为频率，单位为Hz,即即s-1；c为光速为光速3 1010 cm.s-1;为波长，单位为波长，单位nm m为波数，单位为波数，单位cm-1。第八页，讲稿共二十七页哦第九页，讲稿共二十七页哦例例 某电子在两能级间跃迁的能量差为某电子在两能级间跃迁的能量差为4.969 10-19J，求其波长为多少纳米？其波数为多少？，求其波长为多少纳米？其波数为多少？解解 由由E=h =h c/得得=h c/E =6.626 10-34 3 1010
7、/4.969 10-19 =4 10-5 cm =400 nm=1/=1/4 10-5 cm=25000cm-1第十页，讲稿共二十七页哦三、光分析分类三、光分析分类 type of optical analysis第十一页，讲稿共二十七页哦（一）分类（一）分类：根据物质同辐射能作用的性质不同，光学分析法基本上可以分为根据物质同辐射能作用的性质不同，光学分析法基本上可以分为光谱法光谱法和和非光谱法非光谱法。1 1光谱法：光谱法：利用物质与电磁辐射作用时，物质内部利用物质与电磁辐射作用时，物质内部 发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射 辐射等电磁辐射
8、的强度随波长变化的定性、定量辐射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量 分析方法分析方法 按能量交换方向分按能量交换方向分按能量交换方向分按能量交换方向分 吸收光谱法吸收光谱法吸收光谱法吸收光谱法 发射光谱法发射光谱法发射光谱法发射光谱法 按作用结果不同分按作用结果不同分按作用结果不同分按作用结果不同分 原子光谱原子光谱原子光谱原子光谱线状光谱线状光谱线状光谱线状光谱 分子光谱分子光谱分子光谱分子光谱带状光谱带状光谱带状光谱带状光谱第十二页，讲稿共二十七页哦2非光谱法：非光谱法：利用物质与电磁辐射的相互作用测定利用物质与电磁辐射的相互作用测定 电磁辐射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基电磁辐射
9、的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基 本性质变化的分析方法本性质变化的分析方法 分类：折射法、旋光法、比浊法、分类：折射法、旋光法、比浊法、射线衍射法射线衍射法3光谱法与非光谱法的区别：光谱法与非光谱法的区别：光谱法：光谱法：光谱法：光谱法：内部能级发生变化内部能级发生变化 原子吸收原子吸收/发射光谱法：原子外层电子能级跃迁发射光谱法：原子外层电子能级跃迁 分子吸收/发射光谱法：分子外层电子能级跃迁发射光谱法：分子外层电子能级跃迁 非光谱法非光谱法非光谱法非光谱法：内部能级不发生变化：内部能级不发生变化 仅测定电磁辐射性质改变仅测定电磁辐射性质改变 第十三页，讲稿共二十七页哦光分析法光分析法光谱
10、分析法非光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法分子光谱分析法折折射射法法圆圆二二色色性性法法X X射射线线衍衍射射法法干干涉涉法法旋旋光光法法原原子子吸吸收收光光谱谱原原子子发发射射光光谱谱原原子子荧荧光光光光谱谱X射射线线荧荧光光光光谱谱紫紫外外光光谱谱法法红红外外光光谱谱法法分分子子荧荧光光光光谱谱法法分分子子磷磷光光光光谱谱法法核核磁磁共共振振波波谱谱法法第十四页，讲稿共二十七页哦光谱分析法光谱分析法吸收光谱法吸收光谱法发射光谱法发射光谱法原子光谱法原子光谱法分子光谱法分子光谱法原原子子发发射射原原子子吸吸收收原子荧光X射射线线荧荧光光原原子子吸吸收收紫紫外外可
11、可见见红外可见核核磁磁共共振振紫紫外外可可见见红红外外可可见见分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光核核磁磁共共振振化化学学发发光光原原子子发发射射原原子子荧荧光光分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光X射射线线荧荧光光化化学学发发光光第十五页，讲稿共二十七页哦主要介绍光谱法。如果按照电磁辐射和物质相互作用的结果，主要介绍光谱法。如果按照电磁辐射和物质相互作用的结果，主要介绍光谱法。如果按照电磁辐射和物质相互作用的结果，主要介绍光谱法。如果按照电磁辐射和物质相互作用的结果，可以产生发射、吸收和散射三种类型的光谱。可以产生发射、吸收和散射三种类型的光谱。可以产生发射、吸收和散射三种类型的光谱。可以产生发射、
12、吸收和散射三种类型的光谱。一、发射光谱法一、发射光谱法 物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发过物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子程获得能量，变为激发态原子或分子M*M*，当从激发，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。M*M*M+hv M+hv 通过测量物质的发射光谱的波长和强度来进行定通过测量物质的发射光谱的波长和强度来进行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。第十六页，讲稿共二十七页哦发射光谱的类型：发射光谱的类型：1.线光谱线光谱 当辐射物质是单个的气态原子时
13、，产生紫外、可见光区的线光谱。当辐射物质是单个的气态原子时，产生紫外、可见光区的线光谱。通过内层电子的跃迁可以产生通过内层电子的跃迁可以产生X X射线线光谱。射线线光谱。2.带光谱带光谱 带光谱是由许多量子化的振动能级叠加在分子的基态电子能级上而带光谱是由许多量子化的振动能级叠加在分子的基态电子能级上而形成的。形成的。3.连续光谱连续光谱 固体加热至炽热会发射连续光谱，这类热辐射称为黑体辐射。通过固体加热至炽热会发射连续光谱，这类热辐射称为黑体辐射。通过热能激发凝聚体中无数原子和分之振荡产生黑体辐射。被加热的固体热能激发凝聚体中无数原子和分之振荡产生黑体辐射。被加热的固体发射连续光谱，它们是红
14、外、可见及长波侧紫外光区分析仪器的重要发射连续光谱，它们是红外、可见及长波侧紫外光区分析仪器的重要光源。光源。第十七页，讲稿共二十七页哦二、吸收光谱法二、吸收光谱法 当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足的能量满足E=hv的关系时，将产生吸收的关系时，将产生吸收光谱。光谱。M+hv M*第十八页，讲稿共二十七页哦吸收光谱法主要可分为：吸收光谱法主要可分为：1.1.原子吸收光谱法原子吸收光谱法 利用待测元素气态原子对共振线的吸收进行定量测定利用待测元素气态原子对共振线的吸收进行定量
15、测定的方法。其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁，波长的方法。其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁，波长在紫外、可见和近红外区。在紫外、可见和近红外区。2.2.紫外紫外-可见分光光度法可见分光光度法 利用溶液中的分子或基团在紫外和可见光区产生分子外利用溶液中的分子或基团在紫外和可见光区产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测层电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测定。定。第十九页，讲稿共二十七页哦3.红外光谱法红外光谱法 利用分子在红外区的振动利用分子在红外区的振动-转动吸收光谱转动吸收光谱来测定物质的成分和结构。来测定物质的成分和结构。4.核磁共振波谱法核磁共振波谱
16、法 在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。波。利用这种吸收光谱可进行有机化合物结利用这种吸收光谱可进行有机化合物结构的鉴定，以及分子的动态效应、氢键的构的鉴定，以及分子的动态效应、氢键的形成、互变异构反应等化学研究。形成、互变异构反应等化学研究。第二十页，讲稿共二十七页哦四、光谱法仪器与光学器件四、光谱法仪器与光学器件instruments for spectrometry and optical parts第二十
17、一页，讲稿共二十七页哦一、一、光分析法仪器的基本流程光分析法仪器的基本流程 general process of spectrometry光谱仪器通常包括光谱仪器通常包括五个基本单元：五个基本单元：光源；单色器；样品；光源；单色器；样品；检测器；显示与数据处理；检测器；显示与数据处理；第二十二页，讲稿共二十七页哦二、光分析法仪器的基本单元二、光分析法仪器的基本单元 main parts of spectrometry1.光源光源 依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等；依据光源性质不同，分为：弧等；依据光源性质不同，
18、分为：连续光源连续光源：在较大范围提在较大范围提供连续波长的光源，氢灯、供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；氘灯、钨丝灯等；线光源线光源：提供特定波长的：提供特定波长的光源，金属蒸气灯光源，金属蒸气灯(汞灯、汞灯、钠蒸气灯钠蒸气灯)、空心阴极灯、空心阴极灯、激光等；激光等；第二十三页，讲稿共二十七页哦2.单色器单色器单色器：获得高光谱纯度辐射束的装置，而单色器：获得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射束的波长可在很宽范围内任意改变；辐射束的波长可在很宽范围内任意改变；主要部件：主要部件：（1）进口狭缝；）进口狭缝；（2）准直装置）准直装置(透镜或反射镜透镜或反射镜)：使辐射束：使辐射束成为平行光
19、线；成为平行光线；（3）色散装置）色散装置(棱镜、光栅棱镜、光栅)：使不同波长：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；的辐射以不同的角度进行传播；第二十四页，讲稿共二十七页哦（4 4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像。单色器的出口曲面上成像。第二十五页，讲稿共二十七页哦3.试样装置试样装置光源与试样相互作用的场所光源与试样相互作用的场所（1 1）吸收池）吸收池 紫外紫外-可见分光光度法：可见分光光度法：石英比色皿石英比色皿 荧光分析法：荧光分析法：红外分光光度法：将试样与红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片溴化钾压制成透
20、明片（2 2）特殊装置）特殊装置 原子吸收分光光度法：雾化原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离器中雾化，在火焰中，元素由离子态子态原子；原子；原子发射光谱分析：试样喷原子发射光谱分析：试样喷入火焰；入火焰；详细内容在相关章节中介绍。详细内容在相关章节中介绍。第二十六页，讲稿共二十七页哦4.检测器检测器（1 1）光检测器）光检测器 主要有以下几种：主要有以下几种：硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器；极管阵列检测器、半导体检测器；（2 2）热检测器）热检测器 主要有：主要有：真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种；一种；热释电检测器：热释电检测器：5.信号、与数据处理系统信号、与数据处理系统 现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；第二十七页，讲稿共二十七页哦