第二章-光谱分析概论.ppt

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1、第一节第一节 概述概述一、光分析法：一、光分析法：二、光分析法的分类：二、光分析法的分类：概概述述：随随着着光光学学和和电电子子技技术术的的发发展展，基基于于电电磁磁辐辐射射(光光)与与物物质质相相互互作作用用而而建建立立的的分分析析测测试试方方法法越越来来越越广广泛泛地地应应用于物理、化学和生物等各个学科领域。用于物理、化学和生物等各个学科领域。特特别别在在物物质质组组成成和和结结构构的的研研究究、基基团团的的识识别别、几几何何构构型型的的确确定定、表表面面分分析析等方面，更具有其优越性。等方面，更具有其优越性。一一、光光分分析析法法：凡凡是是基基于于检检测测能能量量作作用用于于待待测测物物

2、质质后后产产生生的的辐辐射射信信号号或或所所引引起起变变化化的分析方法均可称为光分析法。的分析方法均可称为光分析法。光分析办法均包含有四个主要过程：光分析办法均包含有四个主要过程：1.能源提供能量，能源提供能量，2.能量与被测物质相互作用，能量与被测物质相互作用，3.产生被检测的讯号，产生被检测的讯号，4.检测信号转换处理后，产生数据或光谱图、检测信号转换处理后，产生数据或光谱图、对数据图谱进行解读，确定分析物的结构和对数据图谱进行解读，确定分析物的结构和组成。组成。二、光分析法的分类：二、光分析法的分类：按按能能源源不不同同，光光学学分分析析法法可可分分为为：红红外、紫外、外、紫外、X光及化

3、学发光等光谱法；光及化学发光等光谱法；按按被被测测物物质质不不同同，光光学学分分析析法法可可分分为为：原子光谱、分子光谱；原子光谱、分子光谱；按按产产生生的的被被测测信信号号的的辐辐射射能能的的基基本本性性质质，光光学学分分析析法法可可分分为为：吸吸收收、发发射射、散散射射、折射、反射、干涉、衍射、偏振等。折射、反射、干涉、衍射、偏振等。光光谱谱分分析析：主主要要以以光光的的发发射射、吸吸收收或或拉拉曼曼散散射射等等作作用用而而建建立立的的分分析析方方法法，以以光光谱谱的的波波长长或强度为分析依据。或强度为分析依据。非非光光谱谱分分析析：指指那那些些不不以以光光的的波波长长为为分分析析依依据据

4、，仅仅通通过过测测量量光光的的折折射射、反反射射、干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振等等某某些些基基本本性性质质的的变变化化为为分分析析依依据据的的方法，如比浊法、旋光法、折射法等。方法，如比浊法、旋光法、折射法等。一般分类一般分类：光谱分析和非光谱分析光谱分析和非光谱分析一、光与电磁波谱的基本性质一、光与电磁波谱的基本性质二、用于分析的电磁波谱的谱区范围二、用于分析的电磁波谱的谱区范围 及对应的量子跃迁类型及对应的量子跃迁类型三、物资与光的相互作用三、物资与光的相互作用第二节、光、光谱、电磁波谱第二节、光、光谱、电磁波谱1、光的性质、光的性质 光光是是一一种种电电磁磁波波，具具有有波波、粒粒二二重

5、重性性。整整个个电电磁磁波波包包括括无无线线电电波波、微微波波、红红外外线、可见光、紫外光、线、可见光、紫外光、X射线、射线、-射线等。射线等。一、光与电磁波谱的基本性质一、光与电磁波谱的基本性质 它它们们作作为为横横向向电电磁磁波波在在空空间间传传播播，在在真真空空中中的的传传播播速速度度都都等等于于光光速速，即即=c，式式中中是是波波长长，是是频频率率，c是是光光在在真真空空中中的的传传播播速速度度，约约等等于于31010cm/s。各各种种电电磁磁波波谱谱的的波波长长、频频率率及及具具有有的的能能量量各各不不相相同同，而而且且产产生生各各种种电电磁磁波波谱谱的的方方法也是不同的。法也是不同

6、的。光共同的特点：光共同的特点：光光谱谱：将将不不同同波波长长的的光光按按它它们们波波长长大大小小的的顺顺序序依依次次排排列列，并并以以波波长长为为横横坐坐标标，以以光光强强为为纵纵坐坐标标所所形形成成的的图图谱谱。其其曲曲线线为为光光谱谱曲曲线线；其其在在某某些些波波长长处处有有较较强强的的光光强强度度时时，呈呈尖尖峰峰状状光光谱谱曲曲线线，为为光光谱谱峰峰，对对应应的波长为特征波长。的波长为特征波长。2、光谱、光谱波长波长光光强强光谱峰光谱峰 、光的波动性参数，、光的波动性参数，、光的数量参数，、光的数量参数，、光的传播参数，、光的传播参数，、光的偏振性参数、光的偏振性参数.3、描述光有四

7、类参数：、描述光有四类参数：即即：电电磁磁波波振振动动的的周周期期性性特特征征，用用振振动动的的时时间间频频率率(周周期期)或或空空间间频频率率(周周期期)表表示，是光的性质参数。示，是光的性质参数。光的时空特征：光的时空特征：振振动动状状态态在在时时间间上上的的重重复复性性特特征征，用用频率频率或周期或周期T表示，二者互为倒数；表示，二者互为倒数；振振动动状状态态在在空空间间上上的的重重复复特特征征，用用波波长长或波数或波数表示，二者互为倒数。表示，二者互为倒数。b、光的波动性参数、光的波动性参数光的四类参数光的四类参数b、光的数量参数，即光的强度或振幅。、光的数量参数，即光的强度或振幅。b

8、、光的传播参数，包括光的传播速度、光的传播参数，包括光的传播速度、方向与相位方向与相位。b、光的偏振性参数，电磁波是一种横波、光的偏振性参数，电磁波是一种横波、电场和磁场的振动方向与传播方向相互垂电场和磁场的振动方向与传播方向相互垂 直；固定在一种振动方向的为线偏振光，直；固定在一种振动方向的为线偏振光，振动方向随时间频率而转动的光为园或椭振动方向随时间频率而转动的光为园或椭 圆偏振光。圆偏振光。光的四类参数光的四类参数二、用于分析的电磁波谱的谱区范围二、用于分析的电磁波谱的谱区范围 及对应的量子跃迁类型及对应的量子跃迁类型光的谱区范围光的谱区范围跃迁类型跃迁类型 1、能谱区，、能谱区，核能、

9、内层电子核能、内层电子 2、光学光谱，、光学光谱，外层电子、价电子、外层电子、价电子、分子振分子振动动、转动转动 3、波谱，、波谱，电子自旋、核自旋电子自旋、核自旋 波波长长很很短短的的光光(102eV)，其其粒粒子子性性比比较较明明显显，此此谱谱区区为为能能谱谱，包包括括射射线线和和射射线线；采采用用该该谱谱区区的的光光为为分分析析信信号号的的分分析析技技术为能谱分析，使用的为射线仪器。术为能谱分析，使用的为射线仪器。1、能谱、能谱谱区范围谱区范围 2、光学光谱：、光学光谱：包包 括括 紫紫 外外 谱谱 区区(180-400nm)、可可 见见 光光 谱谱 区区(420-780nm)、和和红红

10、外外谱谱区区(0.78-300um)，该该谱谱区区可可使使用用光光学学器器件件，如如棱棱镜镜、光光栅栅、透透镜镜等等，因因此此称称为光学谱区。为光学谱区。3、波谱：、波谱：波波长长很很长长(1mm)的的光光，光光子子能能量量很很小小(10-3eV)，主主要要表表现现为为光光的的波波动动性性，因因此此称称为为波波谱谱，包包括括微微波波和和无无线线电电波波，波波谱谱的的产产生生和和检检测测主主要要使使用用电电子子器器件。件。谱谱区名称区名称*波波长长范范围围*光子能量光子能量(Ev)能能级跃级跃迁迁类类型型射射线线X射射线线远远紫外光紫外光近紫外光近紫外光可可见见光光近近红红外光外光中中红红外光外

11、光远红远红外光外光微波微波射射频频5-140pm10-3-10nm10-200nm200-400nm400-750nm0.75-2.5um2.5-50um50-1000um0.1-100cm1-1000m2.5*106-8.3*1031.2*106-1.2*102125-66-3.13.1-1.71.7-0.50.5-0.022*10-2-4*10-44*10-4-4*10-74*10-7-4*10-10核反核反应应内内层电层电子子跃跃迁迁价价电电子子跃跃迁迁价价电电子子跃跃迁迁价价电电子子跃跃迁迁分子振分子振动动分子振分子振动动分子分子转动转动分子分子转动转动,电电子自旋子自旋核自旋核自旋电

12、电磁波磁波谱谱的的的的谱谱区范区范围围及及对应对应的量子的量子跃跃迁迁类类型型见见下表下表：电电磁波磁波谱谱的的的的谱谱区范区范围围(下表下表)：谱谱区名称区名称*波波长长范范围围*波数波数(/cm)频频率范率范围围(MHz)射射线线X射射线线远远紫外光紫外光近紫外光近紫外光可可见见光光近近红红外光外光中中红红外光外光远红远红外光外光微波微波射射频频5-140pm10-3-10nm10-200nm200-400nm400-750nm0.75-2.5um2.5-50um50-1000um0.1-100cm1-1000m2*1010-7*1071010-106106-5*1045*104-2.5*

13、1042.5*104-1.3*1043*104-4*1034000-200200-1010-0.0110-2-10-56*1014-2*10123*1014-3*10103*1010-1.5*1095*109-7.5*1087.5*108-4.0*1084.0*108-1.2*1081.2*108-6.0*1066.0*106-105105-102102-0.1一、分子内部运动的层次性一、分子内部运动的层次性 与光与光(电磁波电磁波)的联系的联系 二、物资与光的相互作用二、物资与光的相互作用 第三节第三节 光与物质的相互作用光与物质的相互作用1、物质中分子的运动状态、物质中分子的运动状态2、分

14、子内部运动与光的联系、分子内部运动与光的联系一、分子内部运动的层次性一、分子内部运动的层次性 与光与光(电磁波电磁波)的联系的联系分为以下六种：分为以下六种：、分子的平动运动、分子的平动运动(热运动热运动);、分分子子中中各各原原子子的的核核外外电电子子轨轨道道运运动动(主主要要为价电子运动为价电子运动);、分子中各原子间的相对位移振动、分子中各原子间的相对位移振动;、分子的转动、分子的转动;、分分子子中中各各原原子子的的核核外外电电子子在在外外磁磁场场作作用用下下因自旋而产生的进动因自旋而产生的进动;、分分子子中中各各原原子子核核在在外外磁磁场场作作用用下下因因自自旋旋而而产生的进动。产生的

15、进动。1、物质中分子的运动状态、物质中分子的运动状态 、分子的平动运动：、分子的平动运动：分分子子的的平平动动运运动动状状态态与与速速度度取取决决于于物物质质的的温温度度，与与分分子子的的本本性性无无关关，其其变变化化不不会会导导致致吸吸收收或或发发射射特特征征光光，因因此此无无法法取取得得分分子子的的结结构构信信息息，但但分分子子的的平平动动运运动动状状态态会会影影响响光光谱谱的的带带宽宽，对对光光谱谱分析也有影响。分析也有影响。2、分子内部运动与光的联系、分子内部运动与光的联系 、分分子子中中各各原原子子的的核核外外电电子子轨轨道道运运动动(主要为价电子运动主要为价电子运动)：需需要要的的

16、能能量量较较高高，从从射射线线、射射线线、紫紫外外到到可可见见光光，以以紫紫外外可可见见光光较较为为常常用用，对应的振动频率范围对应的振动频率范围10141015(Hz)。2、分子内部运动与光的联系、分子内部运动与光的联系(续续1)、分分子子中中各各原原子子间间的的相相对对位位移移振振动动：需需要要的的能能量量略略低低，为为中中红红外外谱谱区区,对对应应的的振振动频率范围动频率范围10131014(Hz)。、分分子子的的转转动动：需需要要的的能能量量更更低低，为为远远红红外外谱谱区区,对对应应的的振振动动频频率率范范围围10111012(Hz)。2、分子内部运动与光的联系、分子内部运动与光的联

17、系(续续2)、分分子子中中各各原原子子的的核核外外电电子子在在外外磁磁场场作作用用下下因因自自旋旋而而产产生生的的进进动动：需需要要的的能能量量对对应应为为 微微 波波 区区,对对 应应 的的 振振 动动 频频 率率 范范 围围 1091010(Hz)。、分分子子中中各各原原子子核核在在外外磁磁场场作作用用下下因因自自旋旋而而产产生生的的进进动动：需需要要的的能能量量对对应应于于无无线线电电波区波区,对应的振动频率范围对应的振动频率范围107108(Hz)。2、分子内部运动与光的联系、分子内部运动与光的联系(续续3)小小结结：后后五五种种运运动动状状态态中中，分分子子的的运运动动状状态态直直接

18、接与与组组成成物物质质的的原原子子有有关关。由由于于组组成成物物质质的的原原子子不不同同，且且每每一一种种分分子子的的内内部部在在任任何何时时刻刻都都同同时时存存在在若若干干不不同同层层次次的的、具具有有特特征征的的固固有有频频率率振振动动，因因此此这这些些在在不不同同层层次次上上的的固固有有频频率率特特征征包包含含物物资资的的结结构构和和组组成成的的丰丰富富信信息息。通通过过物物质质与与光光的的相相互互作作用用，将将这这些些信信息息负负载载到到与与其其作作用用的的分分析析光光中中，即即可可从从中中提提取取到到物物质质结结构构和和组组成成的的丰丰富富信信息息，完完成对物质的定性、定量分析。成对

19、物质的定性、定量分析。2、分子内部运动与光的联系、分子内部运动与光的联系(续续4)物物质质与与光光的的相相互互作作用用有有五五个个方方面面，即即：吸吸收收、发发射射、透射、散射透射、散射和和折射。折射。二、物资与光的相互作用二、物资与光的相互作用 当当光光与与物物质质接接触触时时，某某些些频频率率的的光光(与与某某一一种种运运动动状状态态的的频频率率一一致致时时)被被选选择择吸吸收收，并并使使其其强强度度减减弱弱的现象。的现象。吸吸收收的的实实质质是是物物质质的的运运动动状状态态通通过过吸吸收收光光能能，从低能态跃迁到较高的能态。从低能态跃迁到较高的能态。能能量量最最低低的的运运动动状状态态为

20、为基基态态，高高于于基基态态的的各各种种运运动动状状态态为为激激发发态态。从从基基态态跃跃迁迁到到激激发发态态的的过过程程称为称为激发。激发。处于激发态的物质称为处于激发态的物质称为受激物资受激物资。物资与光的相互作用物资与光的相互作用1、光的吸收、光的吸收：发射的类型：发射的类型：共振光：能量与激发态和基态的差值相同；共振光：能量与激发态和基态的差值相同；荧光和磷光荧光和磷光:损失部分能量后损失部分能量后,从高能态返回基态。从高能态返回基态。也也可可通通过过释释放放热热的的形形式式经经无无发发射射退退激激从从激激发发态态返回基态。返回基态。物资与光的相互作用物资与光的相互作用 当受激物资当受

21、激物资(受光能、电能、热能或其它外界受光能、电能、热能或其它外界能量所激发的物质能量所激发的物质)从高能态回到低能态时，往往从高能态回到低能态时，往往以光辐射的形式释放出多余的能量，这种现象为以光辐射的形式释放出多余的能量，这种现象为发射。发射。2、光的发射：、光的发射：光光通通过过透透明明介介质质时时，如如果果只只是是引引起起了了微微粒粒的的价价电电子子相相对对与与原原子子核核的的振振动动，它它的的能能量量只只是是瞬瞬间间(10-1410-15S)被被微微粒粒所所保保留留，当当物物资资回回到到其其原原来来状状态态时时，又又毫毫无无保保留留地地将将光光能能重重新新按按原原方方向向发发射射出出来

22、来，在在该该过过程程中中没没有有净净能能量量变变化化，光光的的频频率率也也就就没没有有变变化化，只只是是光光的的传传播播速速度度减减慢慢了了，这这种种现象为光的透射。现象为光的透射。物资与光的相互作用物资与光的相互作用2、光的透射：、光的透射：光光通通过过不不均均匀匀介介质质时时，如如果果一一部部分分光光沿沿着着其其它它方方向向传传播播，这这种种现现象象称称为为光光的散射。的散射。根根据据散散射射的的起起因因，可可分分为为丁丁达达尔尔散散射射、瑞瑞利利散散射射、拉拉曼曼散散射射(斯斯托托克克斯斯散散射和反斯托克斯散射射和反斯托克斯散射)。3、光的散射：、光的散射：物资与光的相互作用物资与光的相

23、互作用 当当光光从从一一种种透透明明介介质质进进入入另另一一种种透透明明介介质质时时，光束的前进方向发生改变的现象称为折射。光束的前进方向发生改变的现象称为折射。折折射射是是由由于于光光在在不不同同介介质质中中的的传传播播速速度度不不同同引引起的。起的。物物资资对对光光的的折折射射率率随随着着光光的的频频率率的的变变化化而而改改变，这种现象称为变，这种现象称为“色散色散”。利利用用色色散散现现象象可可将将不不同同波波长长的的复复合合光光分分散散开开来来，成成为为许许多多波波长长范范围围较较窄窄的的“单单色色光光”，这这种种作用称为作用称为“分光分光”。4、光的折射：、光的折射：物资与光的相互作

24、用物资与光的相互作用、光谱类型、光谱类型二、光谱分析法二、光谱分析法 光谱与光谱分析法的分类光谱与光谱分析法的分类第四节第四节 按按照照产产生生光光谱谱的的方方式式不不同同：吸吸收收光谱、发射光谱和散射光谱；光谱、发射光谱和散射光谱；按按照照产产生生光光谱谱的的物物质质类类型型的的不不同同：原子光谱和分子光谱；原子光谱和分子光谱；按按照照光光谱谱的的性性质质和和形形状状：线线光光谱谱、带光谱和连续光谱。带光谱和连续光谱。一、光谱类型：一、光谱类型：吸吸收收光光谱谱：把把物物质质对对光光的的吸吸收收情情况况按按照照波波大大小小长长的的顺顺序序排排列列记记录录下下来来得得到到的的光光谱谱为为吸吸收

25、光谱。收光谱。发发射射光光谱谱：吸吸收收了了能能量量(光光能能、热热能能、电电能能或或其其它它能能量量)的的粒粒子子，由由高高能能态态跃跃迁迁到到低低能能态态时时，如如果果以以光光辐辐射射的的形形式式释释放放出出多多余余的的能能量量，我我们们把把发发射射出出的的光光按按波波长长的的次次序序排排列列记记录录下来得到发射光谱。下来得到发射光谱。光谱类型光谱类型 原原子子光光谱谱：气气态态原原子子发发生生跃跃迁迁时时能能发发射射或或吸吸收收一一定定频频率率的的电电磁磁辐辐射射，经经过过光光谱谱仪仪得得到到的的一一条条条条分分立立的的线线状状光光谱谱，为为原子光谱。原子光谱。气气态态原原子子相相互互之

26、之间间的的作作用用力力小小，且且原原子子没没有有振振动动和和转转动动能能级级，主主要要为为原原子子核核外外电电子子的的能能级级跃跃迁迁所所致致，因因为为各各能能级级之之间间是是非非连连续续的的，因因此此发发射射或或吸吸收收的的是是一一些些频频率率(或或波波长长)不不连连续续的的辐射，即一条条彼此分立的线光谱。辐射，即一条条彼此分立的线光谱。光谱类型光谱类型 分分子子光光谱谱：处处于于气气态态或或溶溶液液中中的的分分子子，当当发发生生跃跃迁迁时时，所所发发射射或或吸吸收收的的是是一一定定频频率率(或或波波长长)范围的电磁辐射组成的带状光谱。范围的电磁辐射组成的带状光谱。分分子子中中不不仅仅包包括

27、括原原子子的的电电子子能能级级、还还包包括括价价键键的的振振动动和和转转动动能能级级，虽虽然然这这些些能能级级都都是是量量子子化化的的，但但由由于于在在电电子子能能级级上上叠叠加加有有许许多多振振动动能能级级，每每个个振振动动能能级级上上又又叠叠加加又又许许多多转转动动能能级级，从从而而导导致致能能级级之之间间能能量量差差异异很很小小，这这些些能能量量差差异异很很小小的光无法用光谱仪区分，因此为带状光谱。的光无法用光谱仪区分，因此为带状光谱。固固体体物物质质或或复复杂杂分分子子受受激激后后发发射射出出的的是是一一波波长长范范围相对广阔的连续光谱，也称固体光谱。围相对广阔的连续光谱，也称固体光谱

28、。光谱类型光谱类型二、光谱分析法二、光谱分析法 光光谱谱分分析析法法：根根据据光光谱谱与与物物质质组组成成和和结结构构之间的内在关系而进行分析的方法。之间的内在关系而进行分析的方法。由由于于物物质质内内部部粒粒子子运运动动所所处处的的能能级级和和产产生生能能级级跃跃迁迁时时的的能能量量变变化化不不同同，跃跃迁迁时时只只能能吸吸收收或或发发射射与与粒粒子子运运动动相相对对应应的的特特定定频频率率或或波波长长的的光光能能，形形成成相相应应的的特特征光谱。征光谱。不不同同的的物物质质，由由于于其其组组成成的的原原子子和和结结构构的的不不同同，粒粒子子运运动动时时所所具具有有的的能能量量也也不不同同，

29、其其特特征征光光谱谱也也就就不不同同。因因此此、可可根根据据试试样样的的光光谱谱，研研究究该该物物质质的的组组成成和和结构。结构。1、光光谱谱定定性性与与结结构构分分析析：根根据据样样品品光光谱谱中中某某些些特特征征区区的的谱谱峰峰波波长长位位置置进进行行解解析析，根根据据解解析析的的方法不同有各自的特点。方法不同有各自的特点。2、光光谱谱定定量量分分析析：根根据据样样品品光光谱谱某某些些特特征征区区的的强强度度，与与样样品品中中含含有有的的发发光光或或吸吸收收粒粒子子数数与与样样品品粒粒子子总总数数之之间间的的关关系系来来定定量量。其其中中吸吸收收光光谱谱定定量量分分析析的的基基础础是是比比

30、耳耳定定律律，该该定定律律是是吸吸收收光光谱谱定定量量分析中微观信息分析中微观信息(分子的数目分子的数目)的宏观表达形式。的宏观表达形式。光谱分析法光谱分析法 3、比比耳耳定定律律：对对一一定定波波长长的的单单色色光光，物物质质的的吸吸光光度度A与与光光程程b及及浓浓度度c正正比比，比比例例系系数数称称为为吸吸光光系系数数K。A=Kbc 吸吸光光系系数数与与浓浓度度单单位位有有关关，用用摩摩尔尔浓浓度度单单位位时时得得到到的的为为摩摩尔尔吸吸光光系系数数；吸吸光光系系数数与与样样品品本本性性及及波波长长有关。有关。单单波波长长点点的的吸吸光光度度的的信信息息量量少少，主主要要用用于于已已知知组

31、组分分的的定定量量测测定定。由由各各波波长长点点吸吸光光度度组组成成的的光光谱谱信信息息量较大，可用于未知样品的结构分析。量较大，可用于未知样品的结构分析。光谱分析法光谱分析法4、比耳定律的成立条件：、比耳定律的成立条件：(1)保证分析光的单色性与平行性。保证分析光的单色性与平行性。(2)稀稀溶溶液液。在在稀稀溶溶液液中中，组组分分分分子子之之间间、组组分分分分子子与与溶溶剂剂分分子子之之间间的的相相互互作作用用可可以以忽忽略略，浓浓度度对对折折射率的影响可以忽略，以保证吸光系数是常数。射率的影响可以忽略，以保证吸光系数是常数。(3)透透光光率率只只与与待待测测分分子子的的吸吸光光有有关关，分分析析过过程程中中除除了了组组分分吸吸光光过过程程外外，没没有有其其它它发发光光(如如荧荧光光)、散散射、折射的变化。射、折射的变化。(4)测测量量过过程程中中，分分析析信信号号在在仪仪器器中中的的传传送送保保持持线线性关系。性关系。光谱分析法光谱分析法精品课件精品课件！精品课件精品课件！第二章