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1、光学分析法引论 第1页，本讲稿共28页光学分析方法：光学分析方法：利利用用光光电电转转换换或或其其它它电电子子器器件件测测定定“辐辐射射与与物物质质相相互互作作用用”之之后后的的辐辐射射强强度度等等光光学学特特性性，进进行行物物质质的的定定性和定量分析的方法。性和定量分析的方法。历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射与物质的作用，历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射与物质的作用，这也是目前应用最为普遍的方法。现在，光谱方法已扩展到这也是目前应用最为普遍的方法。现在，光谱方法已扩展到其它各种形式的能量与物质的相互作用，如声波、粒子束其它各种形式的能量与物质的相互作用，如声波、粒子束（离子和电子）等
2、与物质的作用。（离子和电子）等与物质的作用。第2页，本讲稿共28页一、电磁辐射的性质一、电磁辐射的性质1.光的波动性及粒子性光的波动性及粒子性波动性波动性电磁辐射为正弦波，与其它波（如声波）电磁辐射为正弦波，与其它波（如声波）不同，电磁波不需传播介质，可在真空不同，电磁波不需传播介质，可在真空中传输。中传输。波的传播以及反射、衍射、干涉、折射波的传播以及反射、衍射、干涉、折射和散射和散射。第3页，本讲稿共28页磁场磁场M传播方向传播方向电场电场E单光色平面偏振光的传播单光色平面偏振光的传播一般情况下，仅用电场矢量表示电磁辐射就可以了。一般情况下，仅用电场矢量表示电磁辐射就可以了。波动性波动性第
3、4页，本讲稿共28页当当物物质质发发射射电电磁磁辐辐射射或或者者电电磁磁辐辐射射被被物物质质吸吸收收时时，就就会会发发生生能能量量跃跃迁迁。此此时时，电电磁磁辐辐射射不不仅仅具有波的特征，而且具有粒子性。具有波的特征，而且具有粒子性。光的粒子性光的粒子性第5页，本讲稿共28页能态（能态（Energy stateEnergy state）量子理论量子理论(MaxPlanck，1900)：物物质质粒粒子子总总是是处处于于特特定定的的不不连连续续的的能能量量状状态态，即即能能量量是是量量子子化化的的；处处于于不不同同能能量量状状态态粒粒子子之之间间发发生能量跃迁时的能量差生能量跃迁时的能量差 E可用
4、可用h 表示。表示。光的粒子性光的粒子性第6页，本讲稿共28页光的粒子性光的粒子性两个重要推论：两个重要推论：物物质质粒粒子子存存在在不不连连续续的的能能态态，各各能能态态具具有有特特定定的的能能量量。当当粒粒子子的的状状态态发发生生变变化化时时，该该粒粒子子将将吸吸收收或或发发射射完完全全等等于于两两个个能能级之间的能量差；级之间的能量差；反之亦是成立的，即反之亦是成立的，即 E=E1-E0=h 第7页，本讲稿共28页电磁波用以下参数描述：电磁波用以下参数描述：（1 1）周期）周期T T 相邻两个波峰或波谷通过某一固定点所需要的时间相邻两个波峰或波谷通过某一固定点所需要的时间间隔称为周期，单
5、位为间隔称为周期，单位为s(s(秒秒)。（2 2）频率）频率 单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波谷数目，即单位时间内电磁波振动的次数称为谷数目，即单位时间内电磁波振动的次数称为频率。单位：频率。单位：1/s1/s（1/1/秒），赫（以秒），赫（以HzHz表示）。表示）。1/T1/T第8页，本讲稿共28页电磁波用以下参数描述：电磁波用以下参数描述：（3）波长波长相邻两个波峰或波谷的直线距离。相邻两个波峰或波谷的直线距离。第9页，本讲稿共28页电磁波用以下参数描述：电磁波用以下参数描述：（3 3）波长）波长 波长的单位：波长的单位：m(m(米米)、cm
6、cm（厘米）、（厘米）、m(m(微米微米)、nmnm(纳米纳米)、(埃埃)。第10页，本讲稿共28页电磁波用以下参数描述：电磁波用以下参数描述：（4 4）波数）波数 每厘米长度内含有的波长数目，即波长每厘米长度内含有的波长数目，即波长的倒数，单位为的倒数，单位为cmcm-1-1(厘米厘米-1-1).).第11页，本讲稿共28页电磁波用以下参数描述：电磁波用以下参数描述：（5 5）光电子能量）光电子能量 E E电磁辐射不仅具有波的特征，而且具有粒子性，即由光电磁辐射不仅具有波的特征，而且具有粒子性，即由光子（或称光量子）组成，光子具有能量子（或称光量子）组成，光子具有能量E.E与光波的频率或波长
7、的关系为：与光波的频率或波长的关系为：不同波长的光具有不同的能量，能量与波长成反比。不同波长的光具有不同的能量，能量与波长成反比。E E单位：焦（单位：焦（J J）、尔格（）、尔格（ergerg）、电子伏特（）、电子伏特（eVeV）h h 普朗克常数，普朗克常数，h h6.626106.62610-34 -34 J Js s；C C为光速。为光速。第12页，本讲稿共28页电磁波用以下参数描述：电磁波用以下参数描述：（5 5）光电子能量）光电子能量 E E1 1尔格（尔格（ergerg）1010-7-7焦焦(J)(J)1eV 1eV等于等于1 1个电子在电场中通过个电子在电场中通过1V1V电位差
8、电位差时，所获得的动能。时，所获得的动能。1eV=1.6101eV=1.610-12-12尔格尔格1.6 101.6 10-19-19焦焦第13页，本讲稿共28页电磁波用以下参数描述：电磁波用以下参数描述：波的性质描述：波的性质描述：（1 1）周期）周期T T（2 2）频率）频率 （3 3）波长）波长（4 4）波数）波数粒子性描述粒子性描述（5 5）光电子能量）光电子能量 E E波动性及粒子性二者之间的关系波动性及粒子性二者之间的关系普朗克方程普朗克方程不同波长的光具有不同的能量，能量与波长成反比。不同波长的光具有不同的能量，能量与波长成反比。第14页，本讲稿共28页电磁波用以下参数描述：电磁
9、波用以下参数描述：例题：波长为例题：波长为200nm200nm的电磁波，其能量是的电磁波，其能量是多少电子伏特（多少电子伏特（eVeV）？）？解：解：第15页，本讲稿共28页一、电磁辐射的性质一、电磁辐射的性质2.电磁波谱电磁波谱电磁辐射按其波长顺序排列起来称为电磁辐射按其波长顺序排列起来称为电磁波谱电磁波谱。在不同的波谱区域。在不同的波谱区域具有不同的辐射类型，它们与物质作用的形式也不相同。由此建立了具有不同的辐射类型，它们与物质作用的形式也不相同。由此建立了各种光谱（光化学）分析法。各种光谱（光化学）分析法。0.005 300mm300mm近红外近红外中红外中红外远红外远红外微波微波无线电
10、波无线电波第16页，本讲稿共28页波谱区域波谱区域波长范围波长范围（nm）光子能量（光子能量（eV）能级跃迁类型能级跃迁类型光谱（光学）分析光谱（光学）分析方法方法-射线射线 2.5105核能级核能级-射射线线发发射射光光谱谱、穆斯堡尔谱穆斯堡尔谱X-射线射线 0.00510 nm2.51051.2102内层电子能级内层电子能级X-射射线线吸吸收收、发发射射光谱光谱远紫外远紫外 10200 nm1.21026.2外层电子能级外层电子能级真空紫外吸收光谱真空紫外吸收光谱近紫外近紫外 200400 nm6.23.1外层电子能级外层电子能级紫紫外外可可见见（吸吸收收、发发射射）光光谱谱、荧荧光光光谱
11、光谱可见光可见光 400800 nm3.11.6外层电子能级外层电子能级红外红外 0.81000m 1.61.210 3分分子子振振动动-转转动能级动能级红红外外吸吸收收光光谱谱、拉拉曼光谱曼光谱微波微波 1300mm1.210 34.110 6分子转动能级、分子转动能级、电子自旋能级电子自旋能级微微波波吸吸收收波波谱谱、顺顺磁磁共共振振波波谱谱、电电子子自旋共振波谱自旋共振波谱无线电波无线电波 300mm4.110-6核自旋能级核自旋能级核磁共振波谱核磁共振波谱第17页，本讲稿共28页二、光与物质的作用二、光与物质的作用电磁波通过某一介质时，可发生：电磁波通过某一介质时，可发生：吸收吸收发射
12、发射散射散射折射和反射干涉和衍射第18页，本讲稿共28页二、光与物质的作用二、光与物质的作用拉曼（拉曼（RamanRaman）散射）散射 频率为频率为 0 0 的单色光照射透明物质，物质分子会的单色光照射透明物质，物质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换引起，即不仅光子的运动方向发生变化，它的能量交换引起，即不仅光子的运动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称为量也发生变化，则称为RamanRaman散射散射。这种散射光的频率（。这种散射光的频率（mm）与入射光的频率不同，称为）与入射光的频率不同，称为RamanRaman
13、位移位移。RamanRaman位移的大位移的大小与分子的振动和转动的能级有关，利用小与分子的振动和转动的能级有关，利用RamanRaman位移研究物质位移研究物质结构的方法称为结构的方法称为RamanRaman光谱法光谱法。第19页，本讲稿共28页三、光学分析法的分类三、光学分析法的分类1.1.非光谱法非光谱法 非光谱法是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的非光谱法是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等变化某些性质，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等变化的分析方法。的分析方法。2.2.光谱法光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发是基于物质与辐射
14、能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。光谱法光谱法可分为可分为原子光谱法原子光谱法和和分子光谱法分子光谱法。第20页，本讲稿共28页2.光谱法光谱法原子光谱法原子光谱法是由是由原子外层或内层电子原子外层或内层电子 能级的变化产生能级的变化产生的，它的表现形式为的，它的表现形式为线光谱线光谱。属于这类。属于这类分析方法的有分析方法的有原子发射光谱法原子发射光谱法（AESAES）、）、原子吸收光谱法原子吸收光谱法（AASAAS），），原子荧光光谱原子荧
15、光光谱法法（AFSAFS）以及）以及X X射线荧光光谱法射线荧光光谱法（XFSXFS）等。等。第21页，本讲稿共28页2.光谱法光谱法分子光谱法分子光谱法是由是由 分子中电子能级、振动和转动能级分子中电子能级、振动和转动能级 的变化产生的，表现形式为的变化产生的，表现形式为带光谱带光谱。属。属于这类分析方法的有于这类分析方法的有紫外紫外-可见分光光度可见分光光度法法（UV-VisUV-Vis），），红外光谱法红外光谱法（IRIR），），分分子荧光光谱法子荧光光谱法（MFSMFS）和）和分子磷光光谱法分子磷光光谱法（MPSMPS）等。）等。第22页，本讲稿共28页三、光学分析法的分类三、光学分析
16、法的分类 2.2.光谱法光谱法吸收光谱法吸收光谱法发射光谱法发射光谱法 第23页，本讲稿共28页吸收光谱法吸收光谱法 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原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足所需的能量满足E=E=hvhv 的关系时，将的关系时，将产生吸收光谱。产生吸收光谱。M+M+hv hv M M*第24页，本讲稿共28页吸收光谱法吸收光谱法紫外紫外-可见分光光度法可见分光光度法原子吸收光谱法原子吸收光谱法红外光谱法红外光谱法核磁共振波谱法核磁共振波谱法电子自旋共振波谱法电子自旋共振波谱法MssbauerMssba
17、uer（莫斯鲍尔）谱法（莫斯鲍尔）谱法第25页，本讲稿共28页发射光谱法发射光谱法物质通过电致激发、热致激发或光致激物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态原发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子子或分子M M*，当从激发态过渡到低能态，当从激发态过渡到低能态或基态时产生或基态时产生发射光谱。发射光谱。M M*M+M+hv hv 通过测量物质的通过测量物质的发射光谱的波长发射光谱的波长和和强度强度进行定性和定量分析的方法叫做进行定性和定量分析的方法叫做发射光发射光谱分析法谱分析法。第26页，本讲稿共28页发射光谱法发射光谱法根据和根据和激发方法激发方法不同，发射光谱法分为：不同，发射光谱法分为：用热能激发发光用热能激发发光 原子发射光谱和火焰光度法原子发射光谱和火焰光度法光致发光光致发光 原子荧光光谱、分子荧光光谱、磷光光原子荧光光谱、分子荧光光谱、磷光光谱发光谱发光第27页，本讲稿共28页作业作业补充习题：第二章补充习题：第二章 光分析法基础光分析法基础 1 1、3 3第28页，本讲稿共28页