光谱分析法概论精.ppt

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1、光谱分析法概论1 1第1页，本讲稿共45页 讲授提纲讲授提纲概概 述述 电磁辐射和电磁波谱电磁辐射和电磁波谱光学分析法分类光学分析法分类光谱分析法发展概况光谱分析法发展概况2 2第2页，本讲稿共45页 概概 述述 1光的定义光的定义 2光学分析法定义光学分析法定义 3光学分析法包含的光学分析法包含的 三个主要过程三个主要过程3 3第3页，本讲稿共45页 光是一种电磁辐射。光是一种电磁辐射。电磁波电磁波 量子流量子流4 4第4页，本讲稿共45页光学分析法：光学分析法：根据物质发射电磁辐射或物质对辐根据物质发射电磁辐射或物质对辐射的相互作用，建立物质的浓度、射的相互作用，建立物质的浓度、结构或某种

2、性质与光学性质的关联，结构或某种性质与光学性质的关联，并借以对物质作定性或定量测定的并借以对物质作定性或定量测定的一类分析方法。一类分析方法。仪器分析法仪器分析法 5 5第5页，本讲稿共45页 光学分析法的光学分析法的三个过程三个过程：（1）由仪器设置的能源提供能量照）由仪器设置的能源提供能量照射至被测物质。射至被测物质。（2）能量与被测物质之间相互发生）能量与被测物质之间相互发生作用。作用。（3）产生可被检测的讯号。）产生可被检测的讯号。6 6第6页，本讲稿共45页 第第1 1节电磁辐射和电磁波谱节电磁辐射和电磁波谱 一、电磁辐射一、电磁辐射 二、电磁波谱二、电磁波谱三、电磁辐射与物质相互作

3、用三、电磁辐射与物质相互作用7 7第7页，本讲稿共45页 一、电磁辐射一、电磁辐射电磁波电磁波电磁辐射是一种以巨大速度通过电磁辐射是一种以巨大速度通过空间传播的光子流，具有波粒二空间传播的光子流，具有波粒二象性。象性。从从射线一直到无线电波都是电射线一直到无线电波都是电磁辐射。磁辐射。8 8第8页，本讲稿共45页 光是电磁辐射的一种形式，是一种光是电磁辐射的一种形式，是一种电磁波，一种以巨大速度通过空间电磁波，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而不需要任何物质作为传播媒介的光子流，每个波段之间，由于波长光子流，每个波段之间，由于波长或频率不同，光子具有的能量也不或频率不同，光

4、子具有的能量也不相同。相同。光具有波粒二象性光具有波粒二象性。9 9第9页，本讲稿共45页 光的波动性光的波动性光的波粒二象性光的波粒二象性 光的微粒性光的微粒性1010第10页，本讲稿共45页 (1)光的波动性光的波动性：光的波动性用波长光的波动性用波长(nm)、波数波数(cm1)和频率和频率(Hz)表征。表征。真空中波长、波数和频率的关系为真空中波长、波数和频率的关系为:光速光的频率光速光的频率波长波长 波数波数1/波长波长 单位长度内波的振动次数单位长度内波的振动次数1111第11页，本讲稿共45页 (2)光的微粒性光的微粒性光的微粒性用每个光子具有的能量光的微粒性用每个光子具有的能量E

5、作为表征，光子的能量与频率成正作为表征，光子的能量与频率成正比，与波长成反比。比，与波长成反比。与频率、波长和波数的关系为：与频率、波长和波数的关系为：光的波长越短、频率越高，能量越大光的波长越短、频率越高，能量越大 1212第12页，本讲稿共45页 光的波动性光的波动性体现在光与物质相互作用体现在光与物质相互作用产生的反射、折射、干涉、衍射以及产生的反射、折射、干涉、衍射以及偏振等现象。偏振等现象。光的微粒性光的微粒性体现在光与物质相互作用体现在光与物质相互作用产生的吸收、发射、热辐射、光电效产生的吸收、发射、热辐射、光电效应、光压等现象以及光的化学作用等应、光压等现象以及光的化学作用等方面

6、。方面。1313第13页，本讲稿共45页 二、电磁波谱二、电磁波谱1电磁辐射的吸收电磁辐射的吸收2电磁辐射的发射电磁辐射的发射 3电磁波谱电磁波谱 1414第14页，本讲稿共45页 1电磁辐射的吸收：电磁辐射的吸收：指辐射（复合光）通过某些透明物质指辐射（复合光）通过某些透明物质（固体、液体或气体）时，其中某些频（固体、液体或气体）时，其中某些频率被选择性吸收而使辐射强度减弱的过率被选择性吸收而使辐射强度减弱的过程。程。吸收的实质吸收的实质是电磁辐射的是电磁辐射的能量能量被被转移转移到到了物质的原子或分子上，结果，这些粒了物质的原子或分子上，结果，这些粒子由最低能态（基态）跃迁到了较高的子由最

7、低能态（基态）跃迁到了较高的能态（激发态）。能态（激发态）。1515第15页，本讲稿共45页 2电磁辐射的发射：电磁辐射的发射：指物质吸收了外界的能量（包括电能、指物质吸收了外界的能量（包括电能、热能、电磁辐射能、电子或其它基本热能、电磁辐射能、电子或其它基本粒子轰击等），使处于激发态的粒子粒子轰击等），使处于激发态的粒子（离子、原子或分子）在返回到低能（离子、原子或分子）在返回到低能级或基态时，以电磁辐射的形式释放级或基态时，以电磁辐射的形式释放出多余的能量。出多余的能量。1616第16页，本讲稿共45页 吸收或发射的条件：吸收或发射的条件：任一波长的光子能量（任一波长的光子能量（E）必须）

8、必须与物质的原子或分子的能级变与物质的原子或分子的能级变化（化（E）相等，才能被吸收或）相等，才能被吸收或发射。发射。1717第17页，本讲稿共45页 3电磁波谱：电磁波谱：定义：把电磁辐射按照波长或顺定义：把电磁辐射按照波长或顺序排列起来。序排列起来。包括波长或能量的无限范围。包括波长或能量的无限范围。电磁波谱及其在仪器分析中的应用电磁波谱及其在仪器分析中的应用pg.6表表21 1818第18页，本讲稿共45页 电磁辐射的产生和吸收是物质电磁辐射的产生和吸收是物质内部运动的变化的一种客观反内部运动的变化的一种客观反映，电磁波谱内的所有波谱区映，电磁波谱内的所有波谱区都可用于物质的分析测定。都

9、可用于物质的分析测定。主要讨论近主要讨论近紫外区、可见区和紫外区、可见区和中红外区、远红外区中红外区、远红外区的电磁波的电磁波谱与物质的谱与物质的定性和定量定性和定量关系。关系。1919第19页，本讲稿共45页 三、三、电磁辐射与物质相互作用电磁辐射与物质相互作用（一）常见作用（一）常见作用（二）光的基本术语（二）光的基本术语（三）光与物质的相互作用（三）光与物质的相互作用2020第20页，本讲稿共45页（一）常见作用（一）常见作用吸收吸收发射发射散射散射物质能量变化物质能量变化透射、透射、反射折射反射折射散射散射衍射衍射旋光旋光 物质能量不变化物质能量不变化荧光荧光磷光磷光拉曼拉曼2121第

10、21页，本讲稿共45页 （二）光的基本术语（二）光的基本术语单色光单色光：具有同一波长、同一光能量的光。具有同一波长、同一光能量的光。复合光复合光：由不同波长的光组合成的光。由不同波长的光组合成的光。紫外光紫外光：波长范围：波长范围 200400nm可见光可见光：波长范围：波长范围 400760nm，颜色，颜色由紫蓝青绿黄橙红，其由紫蓝青绿黄橙红，其复合光为白光。复合光为白光。2222第22页，本讲稿共45页 （三）光与物质的相互作用（三）光与物质的相互作用复合光在与物质相互作用时，一些复合光在与物质相互作用时，一些波长的光被物质吸收，另一些波长波长的光被物质吸收，另一些波长的光透过物质或被物

11、质所反射。的光透过物质或被物质所反射。透过物质的光（或反射光）能被人眼透过物质的光（或反射光）能被人眼观察到的即为物质呈现的颜色。观察到的即为物质呈现的颜色。不同波长的光具有不同的颜色。因不同波长的光具有不同的颜色。因此，物质的颜色由透射光（或发射此，物质的颜色由透射光（或发射光）的波长所决定。光）的波长所决定。2323第23页，本讲稿共45页 互补色：互补色：透射光和吸收光，按一定比例混透射光和吸收光，按一定比例混合即成白光。合即成白光。2424第24页，本讲稿共45页 红红 橙橙 紫红紫红 黄黄 蓝紫蓝紫 黄绿黄绿 蓝蓝 绿绿 青蓝青蓝 青青2525第25页，本讲稿共45页 第第2节节 光

12、学分析法的分类光学分析法的分类 吸收光谱法吸收光谱法 光谱分析法光谱分析法 发射光谱法发射光谱法 散射光谱法散射光谱法光学分析法光学分析法 折射法折射法 非光谱分析法非光谱分析法 旋光法旋光法 浊度法浊度法 X射线衍射法射线衍射法2626第26页，本讲稿共45页 光谱分析法和非光谱分析法光谱分析法和非光谱分析法原子光谱法和分子光谱法原子光谱法和分子光谱法吸收光谱、发射光谱、散射光吸收光谱、发射光谱、散射光谱（谱（Raman光谱法光谱法）2727第27页，本讲稿共45页一、光谱法和非光谱法一、光谱法和非光谱法光谱法光谱法 1.光谱光谱 2.光谱分析法光谱分析法非光谱法非光谱法2828第28页，本

13、讲稿共45页 光谱法光谱法 1.光谱光谱（spectrum）当物质与辐射能相互作用时，物质内部当物质与辐射能相互作用时，物质内部的电子、质子等粒子发生能级跃迁，记的电子、质子等粒子发生能级跃迁，记录所产生的辐射能强度随波长（或相应录所产生的辐射能强度随波长（或相应单位）的变化，所得图谱称为光谱（波单位）的变化，所得图谱称为光谱（波谱）。谱）。2929第29页，本讲稿共45页 2.光谱分析法光谱分析法（spectroscopic analysis）利用物质的光谱进行定性、定量和结利用物质的光谱进行定性、定量和结构分析的方法称为光谱分析法，简称构分析的方法称为光谱分析法，简称光谱法光谱法。光谱法种

14、类很多，光谱法种类很多，吸收、发射、散射吸收、发射、散射是是光谱法的三种基本类型，应用甚广，光谱法的三种基本类型，应用甚广，是现代分析化学的重要组成部分。是现代分析化学的重要组成部分。3030第30页，本讲稿共45页 非光谱法非光谱法非光谱法是指那些不以光的波长为特征非光谱法是指那些不以光的波长为特征讯号，仅通过测量电磁辐射的某些基本讯号，仅通过测量电磁辐射的某些基本性质（反射、折射、干涉、衍射和偏振）性质（反射、折射、干涉、衍射和偏振）的变化的分析方法。这类方法主要有折的变化的分析方法。这类方法主要有折射法，旋光法，浊度法，射法，旋光法，浊度法，X射线衍射射线衍射法。法。3131第31页，本

15、讲稿共45页二、原子光谱法和分子光谱法二、原子光谱法和分子光谱法原子光谱法原子光谱法分子光谱法分子光谱法3232第32页，本讲稿共45页 原子光谱法原子光谱法（atomic spectroscopy）（1 1）定义：以测量气态原子或离子外层电子）定义：以测量气态原子或离子外层电子能级跃迁所产生的原子光谱为基础的成分能级跃迁所产生的原子光谱为基础的成分分析方法。分析方法。（2 2）起源：能级跃迁）起源：能级跃迁（3 3）特点：）特点：线状光谱线状光谱，只反映原子或离子的，只反映原子或离子的性质，与来源的分子状态无关。性质，与来源的分子状态无关。（4 4）应用：确定试样物质的元素组成和含量。）应用

16、：确定试样物质的元素组成和含量。（不能给出物质分子结构的信息）（不能给出物质分子结构的信息）3333第33页，本讲稿共45页原子光谱法原子光谱法（5 5）分析方法：）分析方法：原子吸收光谱法原子吸收光谱法 原子发射光谱法原子发射光谱法 原子荧光光谱法原子荧光光谱法 射线荧光光谱法射线荧光光谱法3434第34页，本讲稿共45页 分子光谱法分子光谱法（molecular spectroscopy）（1）定义：以测量分子转动能级、分子中）定义：以测量分子转动能级、分子中原子的振动能级（包括分子转动能级）和原子的振动能级（包括分子转动能级）和分子电子能级（包括振转能级）跃迁所分子电子能级（包括振转能级

17、）跃迁所产生的分子光谱为基础的定性、定量和物产生的分子光谱为基础的定性、定量和物质结构分析的方法。质结构分析的方法。（2）起源：能级跃迁）起源：能级跃迁（3）特点：带状光谱）特点：带状光谱3535第35页，本讲稿共45页三、吸收光谱法和发射光谱法三、吸收光谱法和发射光谱法吸收光谱吸收光谱 1原子吸收光谱原子吸收光谱 2分子吸收光谱分子吸收光谱 (1)紫外分光光度法紫外分光光度法 (2)可见分光光度法可见分光光度法 (3)红外分光光度法红外分光光度法 发射光谱发射光谱 1原子发射光谱法原子发射光谱法 2荧光或磷光荧光或磷光 3636第36页，本讲稿共45页 吸收光谱吸收光谱（absorption

18、 spectrum）指物质对相应辐射能的选择性吸指物质对相应辐射能的选择性吸收而产生的光谱。收而产生的光谱。产生的必要条件：所提供的辐射产生的必要条件：所提供的辐射能量恰好满足该吸收物质两能级能量恰好满足该吸收物质两能级间跃迁所需的能量。间跃迁所需的能量。3737第37页，本讲稿共45页 吸收光谱法吸收光谱法（absorption spectroscopy）由物质对辐射能选择性吸收而产由物质对辐射能选择性吸收而产生的各种吸收光谱进行定性、定生的各种吸收光谱进行定性、定量及结构分析的方法。也称分光量及结构分析的方法。也称分光光度法。光度法。3838第38页，本讲稿共45页 吸收光谱法吸收光谱法

19、原子吸收光谱法原子吸收光谱法 AAS 紫外可见吸收光谱法紫外可见吸收光谱法 Uv-Vis 分子吸收光谱法分子吸收光谱法 红外吸收光谱法红外吸收光谱法 IR 磁共振波谱法磁共振波谱法 NMR3939第39页，本讲稿共45页 发射光谱发射光谱（emission spectrum）物质的原子、离子或分子受到一定物质的原子、离子或分子受到一定能量激发后，由激发态回到基态或能量激发后，由激发态回到基态或较低能态所产生的光谱。较低能态所产生的光谱。线状光谱线状光谱物质三种发射光谱物质三种发射光谱 带状光谱带状光谱 连续光谱连续光谱 4040第40页，本讲稿共45页 发射光谱法发射光谱法（emission

20、spectroscopy）基于物质的发射光谱对物质进行定性、定基于物质的发射光谱对物质进行定性、定量分析的方法。量分析的方法。原子发射光谱法原子发射光谱法 AES 原子荧光光谱法原子荧光光谱法 AFS发射光谱法发射光谱法 分子荧光光谱法分子荧光光谱法 FS 分子磷光光谱法分子磷光光谱法 PS X射线荧光分析法射线荧光分析法 XRF4141第41页，本讲稿共45页 Raman光谱法光谱法 瑞利散射（频率不变）瑞利散射（频率不变）散射散射 拉曼散射（频率改变）拉曼散射（频率改变）光谱法光谱法Raman Stokes线（低频）线（低频）分析线分析线拉曼位移拉曼位移 反反Stokes线（高频）线（高频

21、）属振动光谱，与属振动光谱，与IR互补互补4242第42页，本讲稿共45页 质谱法质谱法（mass spectroscopy，MS）质谱是分子离子和碎片离子依其质荷比质谱是分子离子和碎片离子依其质荷比（m/z）大小依次进行排列所形成的质量大小依次进行排列所形成的质量谱（谱（mass spectrum）。）。根据质谱的分析，来确定分子的原子组成、根据质谱的分析，来确定分子的原子组成、分子量、分子式和分子结构的方法称为质分子量、分子式和分子结构的方法称为质谱法。谱法。4343第43页，本讲稿共45页 UV四大谱四大谱 IR NMR MS4444第44页，本讲稿共45页 第第3 3节节 光谱分析法发展概况光谱分析法发展概况各种色谱与光谱联用技术如各种色谱与光谱联用技术如GC-FTIR、HPLC-UV、HPLC-IR、HPLC-NMR、HPLC-MSn、GC-MSn4545第45页，本讲稿共45页