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1、第二章 光学分析方法导论,电磁辐射与电磁波谱,光学光谱法概论,光学分析法的仪器,2.1电磁辐射与电磁波谱,什么是电磁波？ 电磁波（电磁辐射）是一种以极高速度传播的光量子流。既具有粒子性，也具有波动性。,波动性,每个光子具有一定的波长，可以用波的参数如 波长（）、频率（ ） 、周期（T） 、及振幅（A）等来描述。 光在真空中的传播速度： c = ,粒 子 性,电磁辐射与物质之间能量的转移用粒子性来解释 特征：辐射能是由一颗一颗不连续的粒子流传播的，这种粒子叫光量子，是量子化的（发射或被吸收）。 光量子的能量： E = h h plank 常数（ 6.62610-34 JS ）,电 磁 波 谱,电
2、磁辐射按波长顺序排列,2.2 光学分析法及其分类,分为两大类：光谱法（主要）非光谱法,光 谱 法,基于物质与辐射能作用时，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、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。,非光谱法,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、偏振等变化的分析方法。,光 谱 法,原子光谱法：由原子外层或内层电子能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱。 原子发射光谱法（AES） 原子吸收光谱法（AAS） 原子荧光光谱法（AFS） X射线荧光光谱法（XFS）分子光谱法：分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生的，表现形式为带光谱。 紫外-可
3、见分光光度法（UV-Vis） 红外光谱法（IR） 分子荧光光谱法（MFS） 分子磷光光谱法（MPS）,按照物质状态分类,按照电磁辐射和物质相互作用的结果，可以分为： 发射光谱 吸收光谱 散射光谱,原子和分子的电子能级,一、发射光谱法,基态原子或分子获得能量，变为激发态原子或分子M* ，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。 M* M + hv,1. 射线光谱法,天然或人工放射性物质的原子核在衰变的过程中发射和粒子后，使自身的核激发，然后核通过发射射线回到基态。,2. X射线荧光分析法,原子受高能辐射激发，其内层电子能级跃迁，即发射出特征X射线，称为X射线荧光。 用X射线管发生的一次X射线
4、来激发X射线荧光。,3. 原子发射光谱分析法,用火焰、电弧、等离子炬等作为激发源，使气态原子或离子的外层电子 受激发发射特征光学光谱。 波长范围在190 900nm。,4. 原子荧光分析法,气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子 从基态或低能态跃迁到较高能态，约经10-8 s，又跃迁至基态或低能态，同时发射出与原激发波长相同（共振荧光）或不同的辐射。,5.分子荧光分析法,某些物质被紫外光照射后，物质分子吸收辐射而成为激发态分子，从第一激发单重态回到基态的过程中发射出的光辐射。,6. 分子磷光分析法 由第一激发单重态的最低能级，经系统间交叉跃迁至第一激发三重态（系间窜跃），并经过振动弛
5、豫至最低振动能级，由此激发态跃迁回至基态时，便发射磷光。,7. 化学发光分析法,由化学反应 提供足够的能量，使其中一种反应的分子的电子被激发，形成激发态分子。激发态分子跃迁回基态时，发出一定波长的光。其发光强度随时间变化。,二、吸收光谱法,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的能量满足E = hv的关系时，将产生吸收光谱。 M + hv M*,1.紫外-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层电子能级跃迁所形成的吸收光谱。根据吸收光谱用于定性和定量测定。,2. 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的方法。其
6、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。,3. 红外光谱法,利用分子在红外区的振动- 转动吸收光谱来测定物质的成分和结构的光谱分析法。,4. 核磁共振波谱法,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，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。 利用吸收光谱可进行有机化合物结构鉴定，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。,三、Raman散射,频率为 0 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Raman散射。 散射光的频率
7、（m）与入射光的频率不同，称为Raman位移。Raman位移的大小与分子的振动和转动的能级有关，利用Raman位移研究物质结构的方法称为Raman光谱法。,2.3 光谱仪器,用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射强度和波长关系的仪器叫做光谱仪或分光光度计。 光谱仪或分光光度计一般包括五个基本单元：光源、单色器、样品容器、检测器和读出器件。,一、光 源,光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率和稳定性。 需用稳压电源。 光源可分为连续光源和线光源等。,二、单色器,单色器的主要作用是将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。单色器由入射狭缝和出射狭缝、准直镜以及色散元件，如棱镜或光栅等组成。,光源,色散元
8、件,入射狭缝,光谱带宽：半峰宽,棱镜不同波长的光在同一介质中具有不同的折射率。,色散率角色散率： Da=d/d 线色散率： D=dy/d倒线色散率：D-1=d /dy,2. 光栅,由玻璃片或金属片制成，其上准确地刻有大量宽度和距离都相等的平行线条（刻痕）。 原理：单狭缝衍射和多狭缝干涉,光栅与棱镜的比较,光栅的色散几乎与波长无关 在相同色散率时，光栅的尺寸要小棱镜不适用于远紫外、远红外区 光栅的杂散辐射，高级光谱干扰等问题已经可以解决 比较高的光栅价格已经降,3. 狭 缝,狭缝是由两片经过精密加工，且具有锐利边缘的金属片组成。,光源,入射狭缝,有效带宽 SD-1WD-1倒线色散率 W狭缝宽度,射出狭缝,三、吸收池,吸收池一般由光透明的材料制成。 紫外光区： 石英材料； 可见光区：硅酸盐玻璃； 红外光区：根据不同的波长范围选用不同材料的晶体制成吸收池的窗口。,四、检测器,作用：把光信号变成电信号 光检测器有硒光电池、光电管、光电倍增管、半导体等。 热检测器是吸收辐射并根据吸收引起的热效应来测量入射辐射的强度，包括真空热电偶、热释电检测器等。,五、读出装置,由检测器将光信号转换成电信号后，可用检流计、微安计数字显示器、计算机等显示和记录结果。,课后作业 P18 2.1 2.3 2.4,
