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1、第第0808章光学分析法导章光学分析法导论论第1页，此课件共16页哦8.1 8.1 电磁辐射及电磁波谱电磁辐射及电磁波谱电磁辐射及电磁波谱电磁辐射及电磁波谱一一一一.电磁辐射的波粒二象性电磁辐射的波粒二象性电磁辐射的波粒二象性电磁辐射的波粒二象性1.1.1.1.电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性散射散射散射散射折射与反射折射与反射折射与反射折射与反射衍射衍射衍射衍射干涉干涉干涉干涉偏振偏振偏振偏振波波波波 长长长长 cmcm、mm、nmnm、A A 频频频频 率率率率 Hz secHz sec-1-1波波波波 数数数数 cmcm-1-1 传播速度传播速度传播速度传
2、播速度 cm/seccm/sec2.2.2.2.电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性3.3.3.3.普朗克普朗克普朗克普朗克(PlanchPlanchPlanchPlanch)公式公式公式公式E E-光子的能量光子的能量光子的能量光子的能量 J,J,焦耳焦耳焦耳焦耳 -光子的频率光子的频率光子的频率光子的频率 Hz,Hz,赫兹赫兹赫兹赫兹 -光子的波长光子的波长光子的波长光子的波长 cmcmC C-光速光速光速光速 2.99792.9979 10101010 cm.s cm.s-1-1h h -PlanchPlanch常数常数常数常数 6.62566.6256 10
3、10-34-34 J.s J.s 焦耳焦耳焦耳焦耳.秒秒秒秒光电效应光电效应光电效应光电效应 康普敦效应康普敦效应康普敦效应康普敦效应 黑体辐射黑体辐射黑体辐射黑体辐射第2页，此课件共16页哦二二二二.电磁辐射与物质的相互作用及其光谱电磁辐射与物质的相互作用及其光谱电磁辐射与物质的相互作用及其光谱电磁辐射与物质的相互作用及其光谱1.1.1.1.物质的能态物质的能态物质的能态物质的能态2.2.2.2.电磁辐射的吸收与发射电磁辐射的吸收与发射电磁辐射的吸收与发射电磁辐射的吸收与发射原子、离子原子、离子原子、离子原子、离子 分子分子分子分子A.A.A.A.原子光谱原子光谱原子光谱原子光谱 线光谱线光
4、谱线光谱线光谱 Line spectraLine spectraE E2 2E E0 0E E1 1E E3 3h i波长波长波长波长半宽度半宽度半宽度半宽度10101010-2-2-2-21010-5-5Na 5890Na 5890Na 5890Na 5890、5896589658965896原子吸收光谱原子吸收光谱原子发射光谱原子发射光谱第3页，此课件共16页哦B.B.B.B.分子光谱分子光谱分子光谱分子光谱 带光谱带光谱带光谱带光谱 Band spectra 有机、无机分子有机、无机分子有机、无机分子有机、无机分子E E2 2E E1 1E E0 0半宽度半宽度半宽度半宽度2020202
5、0 100nm100nm100nm100nm分子吸收光谱分子吸收光谱分子发射光谱分子发射光谱h i波长波长波长波长/nm/nm/nm/nmA(T)A(T)波长波长波长波长/nm/nm/nm/nmI I半宽度半宽度半宽度半宽度20202020 100nm100nm100nm100nm第4页，此课件共16页哦C.C.C.C.荧光发射荧光发射荧光发射荧光发射光致发光光致发光光致发光光致发光 h h 原子荧光原子荧光原子荧光原子荧光-线光谱线光谱线光谱线光谱 分子荧光分子荧光分子荧光分子荧光-带光谱带光谱带光谱带光谱 E2E0E1E3h iE E2 2E E1 1E E0 0h ih i第5页，此课件
6、共16页哦三三三三.光学分析法波谱光学分析法波谱光学分析法波谱光学分析法波谱1.1.1.1.电磁波谱与现代仪器分析方法电磁波谱与现代仪器分析方法电磁波谱与现代仪器分析方法电磁波谱与现代仪器分析方法波谱区波谱区-射线射线波长波长5140 pm5140 pm跃迁类型跃迁类型核能级核能级X-X-射线射线远紫外光远紫外光1010-3-310nm10nm10200nm10200nm原子内层电子原子内层电子莫斯鲍尔光谱法莫斯鲍尔光谱法:-射线射线原子核原子核 -射线吸收射线吸收X-X-射线吸收射线吸收光谱法光谱法:X-X-射线射线/放射源放射源原子内层电子（原子内层电子（n10)n10)X-X-射线吸收射
7、线吸收X-X-荧光荧光光谱法光谱法:X-X-射线射线原子内层电子原子内层电子 特征特征X-X-射线发射射线发射远紫外光远紫外光-真空紫外区。此部分光谱会被空气吸收真空紫外区。此部分光谱会被空气吸收原子光谱：原子发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱原子光谱：原子发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱分子光谱：紫外分子光谱：紫外-可见吸收光谱、分子荧光可见吸收光谱、分子荧光/磷光光谱、化学发光磷光光谱、化学发光近紫外光近紫外光可见光可见光200400nm200400nm400750nm400750nm原子外层电子原子外层电子/分子成键电子分子成键电子第6页，此课件共16页哦2.2.2.2.光学分析法
8、的分类光学分析法的分类光学分析法的分类光学分析法的分类波谱区波谱区近红外光近红外光中红外光中红外光波长波长0.752.50.752.5 mm2.5502.550 mm跃迁类型分子振动远红外光远红外光微波微波射频射频501990501990 mm0.1100cm0.1100cm1100 m1100 m分子转动电子、核自旋近红外光谱区近红外光谱区:配位化学的研究对象配位化学的研究对象红外吸收光谱法红外吸收光谱法:红外光红外光分子分子吸收吸收远红外光谱区远红外光谱区电子自旋共振波谱法电子自旋共振波谱法:微波微波分子未成对电子分子未成对电子吸收吸收核磁共振波谱法核磁共振波谱法:射频射频原子核自旋原子核
9、自旋吸收吸收光光光光 谱谱谱谱 法：法：法：法：以光的波长与强度为特征信号的仪器分析方法以光的波长与强度为特征信号的仪器分析方法以光的波长与强度为特征信号的仪器分析方法以光的波长与强度为特征信号的仪器分析方法 非光谱法：非光谱法：非光谱法：非光谱法：以光辐射的某些性质变化特征信号的仪器分析方法以光辐射的某些性质变化特征信号的仪器分析方法以光辐射的某些性质变化特征信号的仪器分析方法以光辐射的某些性质变化特征信号的仪器分析方法 吸收光谱法、发射光谱法、散射光谱法吸收光谱法、发射光谱法、散射光谱法吸收光谱法、发射光谱法、散射光谱法吸收光谱法、发射光谱法、散射光谱法折射法、旋光法、圆二色法、比浊法、衍
10、射法折射法、旋光法、圆二色法、比浊法、衍射法折射法、旋光法、圆二色法、比浊法、衍射法折射法、旋光法、圆二色法、比浊法、衍射法 第7页，此课件共16页哦8.2 8.2 光学分析法中的光栅单色器光学分析法中的光栅单色器光学分析法中的光栅单色器光学分析法中的光栅单色器二二二二.光栅单色器基本组成光栅单色器基本组成光栅单色器基本组成光栅单色器基本组成入射狭缝入射狭缝入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜准直镜准直镜平面衍射光栅平面衍射光栅平面衍射光栅平面衍射光栅聚焦物镜聚焦物镜聚焦物镜聚焦物镜出射狭缝出射狭缝出射狭缝出射狭缝聚焦面聚焦面聚焦面聚焦面f ff f一一一一.棱镜单色器基本组成棱镜单色器基本组成棱镜单
11、色器基本组成棱镜单色器基本组成入射狭缝入射狭缝入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜准直镜准直镜棱镜单色器棱镜单色器棱镜单色器棱镜单色器聚焦物镜聚焦物镜聚焦物镜聚焦物镜聚焦面聚焦面聚焦面聚焦面出射狭缝出射狭缝出射狭缝出射狭缝第8页，此课件共16页哦 n=dn=d(sinsin sinsin)三三三三.平面衍射光栅平面衍射光栅平面衍射光栅平面衍射光栅 3002000300200030020003002000条条条条/mm/mm/mm/mm光栅的分光作用：狭缝的衍射作用形成的光栅的分光作用：狭缝的衍射作用形成的光栅的分光作用：狭缝的衍射作用形成的光栅的分光作用：狭缝的衍射作用形成的1.1.1.1.平面光栅衍
12、射的色散方程平面光栅衍射的色散方程平面光栅衍射的色散方程平面光栅衍射的色散方程n n(级数级数级数级数)0,1,2,)0,1,2,d d-为光栅常数为光栅常数为光栅常数为光栅常数-为入射角为入射角为入射角为入射角 -为衍射角为衍射角为衍射角为衍射角d d d d 闪耀光栅：闪耀光栅：闪耀光栅：闪耀光栅：通过改变通过改变通过改变通过改变a a a a、d d d d、，使衍，使衍，使衍，使衍射的辐射强苏集中在所需的波射的辐射强苏集中在所需的波射的辐射强苏集中在所需的波射的辐射强苏集中在所需的波长范围内。长范围内。长范围内。长范围内。a a a a 闪耀角闪耀角闪耀角闪耀角闪耀波长闪耀波长闪耀波长
13、闪耀波长2.2.2.2.平面光栅衍射的闪耀特性平面光栅衍射的闪耀特性平面光栅衍射的闪耀特性平面光栅衍射的闪耀特性第9页，此课件共16页哦结结结结论论论论：当当当当小小小小于于于于202020200 0 0 0时时时时，cos cos cos cos 1 1 1 1；平平平平面面面面光光光光栅栅栅栅衍衍衍衍射射射射的的的的线线线线色色色色散散散散率率率率与与与与波波波波长长长长无无无无关；与关；与关；与关；与d d d d、n n n n、f f f f 有关。有关。有关。有关。线色散率：线色散率：线色散率：线色散率：f fdddddldl倒线色散率：倒线色散率：倒线色散率：倒线色散率：A A
14、A A 色散率色散率色散率色散率角色散率：角色散率：角色散率：角色散率：d/d=n/d cosd/d=n/d cosd/d=n/d cosd/d=n/d cos当当当当=0=0=0=00 0 0 0880 0时，时，时，时，coscoscoscos=1=1=1=1 0.99:0.99:0.99:0.99:d/dd/dd/dd/dn/d n/d n/d n/d 2.2.2.2.平面光栅衍射的性能指标平面光栅衍射的性能指标平面光栅衍射的性能指标平面光栅衍射的性能指标 色散率色散率色散率色散率 分辨率分辨率分辨率分辨率 聚光本领聚光本领聚光本领聚光本领色散方程色散方程色散方程色散方程:n=dn=d(
15、sinsin sinsin)第10页，此课件共16页哦B.B.B.B.分辨率分辨率分辨率分辨率 R R R RN N N N 为光栅的总刻线数，与面积有关。为光栅的总刻线数，与面积有关。为光栅的总刻线数，与面积有关。为光栅的总刻线数，与面积有关。例：例：例：例：对一块宽度为对一块宽度为对一块宽度为对一块宽度为 50.0 mm50.0 mm，刻线数为，刻线数为，刻线数为，刻线数为1200 1200 条条条条/mm/mm的光栅，它的一级光栅的光栅，它的一级光栅的光栅，它的一级光栅的光栅，它的一级光栅的分辩能力为多少？在的分辩能力为多少？在的分辩能力为多少？在的分辩能力为多少？在6000 6000
16、埃埃埃埃 附近能分辨的两条谱线的波长差为多少附近能分辨的两条谱线的波长差为多少附近能分辨的两条谱线的波长差为多少附近能分辨的两条谱线的波长差为多少？解：解：解：解：分辨率为：分辨率为：分辨率为：分辨率为：R R=1501200=610=1501200=6104 4 波长差为：波长差为：波长差为：波长差为：=/R/R=6000/60000=0.1 =6000/60000=0.1 埃埃埃埃C.C.C.C.聚光本领聚光本领聚光本领聚光本领入射狭缝入射狭缝入射狭缝入射狭缝准直镜的准直镜的准直镜的准直镜的直径直径直径直径d d d d,焦距焦距焦距焦距F F F F平面衍射光栅平面衍射光栅平面衍射光栅平
17、面衍射光栅聚光本领聚光本领聚光本领聚光本领 f f 22 f:f:110110范围范围范围范围焦距焦距焦距焦距F F F F第11页，此课件共16页哦D D D D-1-1-1-1:倒线色散率；倒线色散率；倒线色散率；倒线色散率；W W W W :光谱通带；光谱通带；光谱通带；光谱通带；S S S S :狭缝宽度。狭缝宽度。狭缝宽度。狭缝宽度。四四四四.光栅单色器光谱通带光栅单色器光谱通带光栅单色器光谱通带光栅单色器光谱通带1.1.1.1.狭缝狭缝狭缝狭缝（SlitSlit）构成：构成：构成：构成：狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金属组成。两片金属处狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的
18、金属组成。两片金属处狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金属组成。两片金属处狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。有效带宽：有效带宽：有效带宽：有效带宽：整个单色器的分辨能力除与
19、分光元件的色散率有关整个单色器的分辨能力除与分光元件的色散率有关整个单色器的分辨能力除与分光元件的色散率有关整个单色器的分辨能力除与分光元件的色散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分辨能力外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分辨能力外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分辨能力外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分辨能力（有效带宽（有效带宽（有效带宽（有效带宽S S S S）应由下式决定：）应由下式决定：）应由下式决定：）应由下式决定：2.2.2.2.光谱通带光谱通带光谱通带光谱通带当单色仪的色散率固定时，光谱通带将随狭缝宽度变化。当单色仪的色散率固定时，光谱通带将随狭缝宽度变化。当单色仪的色散率固定时
20、，光谱通带将随狭缝宽度变化。当单色仪的色散率固定时，光谱通带将随狭缝宽度变化。第12页，此课件共16页哦3.3.3.3.狭缝宽度的选择原则狭缝宽度的选择原则狭缝宽度的选择原则狭缝宽度的选择原则v定性分析：选择较窄的狭缝宽度定性分析：选择较窄的狭缝宽度提高分辨率，减少其它谱线的提高分辨率，减少其它谱线的干扰，提高选择性；干扰，提高选择性；v定量分析：选择较宽的狭缝宽度定量分析：选择较宽的狭缝宽度增加照亮狭缝的亮度，提高分增加照亮狭缝的亮度，提高分析的灵敏度；析的灵敏度；v应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通过条件优化确定最佳应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通过条件优化确定最佳狭缝宽
21、度。狭缝宽度。v与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少，可采用较宽的与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少，可采用较宽的狭缝。但当背景大时，可适当减小缝宽。狭缝。但当背景大时，可适当减小缝宽。第13页，此课件共16页哦2.2.理想的光电转换器要求理想的光电转换器要求v灵敏度高；灵敏度高；v S/NS/N大；大；v 暗电流小；暗电流小；v 响应快且在宽的波段内响应恒定。响应快且在宽的波段内响应恒定。8.2 8.2 光学分析法中的检测器光学分析法中的检测器光学分析法中的检测器光学分析法中的检测器一一一一.光电转换器（光电转换器（光电转换器（光电转换器（TransducerTransduce
22、rTransducerTransducer）S=KP+KD=KPS S:以电压或电流为单位的电响应；以电压或电流为单位的电响应；K K:校正灵敏度；校正灵敏度；P P：辐射功率；：辐射功率；K KD D:暗电流暗电流(可通过线路补偿，使为可通过线路补偿，使为0)0)1.1.定义：定义：光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件。光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件。第14页，此课件共16页哦二二二二.光电转换器种类及其应用波段光电转换器种类及其应用波段光电转换器种类及其应用波段光电转换器种类及其应用波段第15页，此课件共16页哦三、光电倍增管（三、光电倍增管（三、光电倍增管（
23、三、光电倍增管（photomultiplier tube,photomultiplier tube,photomultiplier tube,photomultiplier tube,PMTPMTPMTPMT）1个光子产生个光子产生106107个电子个电子共有共有9个打拿极个打拿极(dynatron)所加直流电压共为所加直流电压共为10 90V放大倍数：放大倍数：放大倍数：放大倍数：2 2n n55n n;n;n=10,10=10,103 310107 7 最大最大最大最大10108 810109 9光电流：光电流：光电流：光电流：1010-8-81010-3-3 A A 响应时间：响应时间：
24、响应时间：响应时间：1010-9-9s s光电倍增管示意图光电倍增管示意图1 12 24 46 68 89 97 75 53 3光束光束石石英英套套阳极阳极屏蔽屏蔽栅极栅极,Grill900V dc90V123456789阳极阳极阴极阴极石英封石英封读出装置读出装置R缺缺缺缺点点点点：热热热热发发发发射射射射强强强强，因因因因此此此此暗暗暗暗电电电电流流流流大大大大。不不不不得得得得置置置置于于于于强强强强光光光光(如如如如日日日日光光光光)下下下下，否否否否则则则则可可可可永永永永久久久久损坏损坏损坏损坏 PMTPMT！优点：优点：优点：优点：高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。单一光子均可响应。单一光子均可响应。单一光子均可响应。第16页，此课件共16页哦