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1、第七章 原子发射光谱分析AtomicEmissionspectroscopy教学要求 1、简述电磁辐射的基本性质及电磁波谱2、了解光学分析法的分类3、掌握光学仪器的基本构成单元及其作用4、掌握原子发射光谱法的基本原理5、掌握原子发射光谱仪的结构6、掌握原子发射光谱的分析方法第一节第一节 光学分析法概述光学分析法概述第二节第二节 原子发射光谱法的基本原理原子发射光谱法的基本原理第三节第三节 原子发射光谱仪原子发射光谱仪第四节第四节 光谱定性和半定量分析光谱定性和半定量分析第五节第五节 光谱定量分析光谱定量分析第一节第一节 光学分析法概述光学分析法概述光谱学的发展简史光谱学的发展简史 光谱学的研究
2、已有一百光谱学的研究已有一百多年的历史了。多年的历史了。16661666年，牛顿年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。这是可算是颜色的光组成的。这是可算是最早对光谱的研究。最早对光谱的研究。1802年，年，Wollaston发现太阳光谱中存在一些暗线；发现太阳光谱中存在一些暗线；1817年，年，Franhofer详细研究了太阳光谱的暗线，详细研究了太阳光谱的暗线，标示出标示出70多条暗线；多条暗线；18591860年，年，Kirchhoff和和Bunse
3、n发表论文解释发表论文解释了了Franhofer暗线产生的原因，并研制第一台用于暗线产生的原因，并研制第一台用于光谱分析的分光镜，实现了光谱检验；光谱分析的分光镜，实现了光谱检验；1902年，年，Wood原子荧光；原子荧光；20世纪世纪20年代，发现许多元素年代，发现许多元素的原子荧光，如的原子荧光，如Nichols和和Howes测定高原子浓度的火焰中的测定高原子浓度的火焰中的Na、Li、Ba、Sr和和Ca的原子荧光；的原子荧光；随后随后30年年定性分析；定性分析；1930年以后年以后-定量分析方法；定量分析方法；一、电磁辐射和电磁波谱一、电磁辐射和电磁波谱1 1电电磁磁辐辐射射（电电磁磁波波
4、，光光）：以以巨巨大大速速度度通通过过空空间间、不需要任何物质作为传播媒介的一种能量不需要任何物质作为传播媒介的一种能量 2电磁辐射的性质：电磁辐射的性质：具有具有波、粒二向性波、粒二向性波动性：波动性：粒子性：粒子性：电磁波的波动性电磁波的波动性1 1、电磁波：是在空间中传播着的交变电场和磁、电磁波：是在空间中传播着的交变电场和磁场，具有一定的频率场，具有一定的频率 、强度和速度、强度和速度c c。磁磁场场传播方向传播方向电电场场单色光平面偏振单色光平面偏振光的传播光的传播y=A sin(t+)=Asin(2 vt+)2 2、波动性：指电磁波以波动形式传播。、波动性：指电磁波以波动形式传播。
5、电电磁磁波波的的散散射射、折折射射、衍衍射射、偏偏振振和和干干涉涉等等现现象就明显表现其波动性象就明显表现其波动性散射：散射：当入射光的光子与试样的粒子碰撞时，会当入射光的光子与试样的粒子碰撞时，会改变其传播方向的现象。改变其传播方向的现象。折射和反射：折射和反射：光在两种介质中传播速度不同引起光在两种介质中传播速度不同引起的。的。不同物质的折射率不同，不同波长的光对同一物质不同物质的折射率不同，不同波长的光对同一物质的折射率也是不相同的，棱镜的分光作用就是基于的折射率也是不相同的，棱镜的分光作用就是基于光的这种性质。光的这种性质。干涉：干涉：当频率相同、振动相同、周相相等或周相当频率相同、振
6、动相同、周相相等或周相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象。通过干涉现象，可以得到会产生波的干涉现象。通过干涉现象，可以得到明暗相间的条纹。明暗相间的条纹。衍射：衍射：光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象。现象。3 3、描述参数：、描述参数：波长波长、频率、频率、速度，三、速度，三者的关系为者的关系为C(cm/s)=(cm)C(cm/s)=(cm)（HzHz）电磁波的粒子性电磁波的粒子性光光是是由由“光光微微粒粒子子”（光光量量子子或或光光子子）所所组成，光量子的能量与波长有关组成，光量子
7、的能量与波长有关E(J)=h（Hz）=hc/(h为普朗克常数为普朗克常数6.62561034Js)普朗普朗克公式克公式电磁波可用以下波参数来表征电磁波可用以下波参数来表征周期周期(T)(T)：相邻两个波峰或波谷通过空间某一相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所需要的时间间隔。固定点所需要的时间间隔。单位：单位：S(S(秒秒)频率频率()()：单位时间内通过传播方向上某一点单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波谷的数目，即单位时间内电磁场振的波峰或波谷的数目，即单位时间内电磁场振动的次数。单位：动的次数。单位：Hz Hz（赫兹）（赫兹）波长波长()()：相邻两个波峰或波谷间的直线距离。相邻两个
8、波峰或波谷间的直线距离。单位：米、埃、纳米等。单位：米、埃、纳米等。波数波数()()：每厘米长度内含有的波的数目，即每厘米长度内含有的波的数目，即波长的倒数。单位：波长的倒数。单位：K (KayserK (Kayser)射线射线 X X 射线射线紫外光紫外光可见光可见光红外光红外光微波微波无线电波无线电波 高能辐射区高能辐射区射线射线能量最高，来源于核能级跃迁能量最高，来源于核能级跃迁射线射线来自内层电子能级的跃迁来自内层电子能级的跃迁光学光谱区光学光谱区紫外光紫外光来自原子和分子外层电子能级的跃迁来自原子和分子外层电子能级的跃迁可见光可见光红外光红外光来自分子振动和转动能级的跃迁来自分子振动
9、和转动能级的跃迁波谱区波谱区微波微波来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁无线电波无线电波来自原子核自旋能级的跃迁来自原子核自旋能级的跃迁3 3电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列。电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列。波长波长波长波长长长长长电磁辐射参数及应用电磁辐射参数及应用 结结 束束表表7-1电磁波电磁波迁能级类型迁能级类型波长波长 电磁波区域电磁波区域 涉及方法涉及方法核能级核能级 300mm无线电波区无线电波区二、光学分析法及其分类二、光学分析法及其分类（一）光学分析法（一）光学分析法 基于电磁辐射与物质相互作用后产生的辐射信号或基于电磁辐射与物质相互作用后产
10、生的辐射信号或发生的变化来测定物质的性质、含量和结构的一类发生的变化来测定物质的性质、含量和结构的一类分析方法称分析方法称 。（二）分类：（二）分类：1 1光谱法：光谱法：利用物质与电磁辐射作用时，物质内利用物质与电磁辐射作用时，物质内部发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射部发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射 辐射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量辐射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量 分析方法分析方法 按能量交换方向分按能量交换方向分按能量交换方向分按能量交换方向分 吸收光谱法吸收光谱法吸收光谱法吸收光谱法 发射光谱法发射光谱法发射光谱法发射光谱法 按作用结果不同分按作
11、用结果不同分按作用结果不同分按作用结果不同分 原子光谱原子光谱原子光谱原子光谱线状光谱线状光谱线状光谱线状光谱 分子光谱分子光谱分子光谱分子光谱带状光谱带状光谱带状光谱带状光谱2 2非光谱法：非光谱法：利用物质与电磁辐射的相互作用测定利用物质与电磁辐射的相互作用测定 电电磁磁辐辐射射的的反反射射、折折射射、干干涉涉、衍衍射射和和偏偏振振等等基本性质变化的分析方法。基本性质变化的分析方法。分类：折射法、旋光法、比浊法、分类：折射法、旋光法、比浊法、射线衍射法射线衍射法3 3光谱法与非光谱法的光谱法与非光谱法的区别：区别：光谱法：光谱法：内部能级发生变化内部能级发生变化 原子吸收原子吸收/发射光谱
12、法：原子外层电子能级跃迁发射光谱法：原子外层电子能级跃迁 分子吸收分子吸收/发射光谱法：分子外层电子能级跃迁发射光谱法：分子外层电子能级跃迁非非光光谱谱法法：内内部部能能级级不不发发生生变变化化仅仅测测定定电电磁磁辐辐射射性性质改变质改变 （三）发射光谱（三）发射光谱物质通过物质通过电致激发电致激发、热致激发热致激发或或光致激发光致激发等激发过等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子，当其退激时程获得能量，变为激发态原子或分子，当其退激时以光辐射释放能量所产生的光谱（从激发态过渡到以光辐射释放能量所产生的光谱（从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱）。低能态或基态时产生发射光谱）。M*M+h
13、v在外能作用下，不同原子或分子由于其结构不在外能作用下，不同原子或分子由于其结构不同，其运动状态的变化也各不相同，因而产生特征同，其运动状态的变化也各不相同，因而产生特征光谱。光谱。电电子子或或者者其其它基本粒子它基本粒子原子原子,离离子子,分子分子轰击轰击原子原子*,离离子子*,分子分子*原子原子,离离子子,分子分子X激发激发激发态激发态基态基态基态基态能量能量发射发射电电弧弧,火火花花,火焰火焰,ICP原原子子,离离子子,分子分子原子原子*,离离子子*,分子分子*原子原子,离离子子,分子分子UV,VIS,IR激发激发激发态激发态基态基态基态基态能量能量发射发射电电磁磁辐辐射射或或者化学反应
14、者化学反应原子原子,离离子子,分子分子光光(一次光一次光)原子原子*,离离子子*,分子分子*原子、离原子、离子、分子子、分子荧光（二次光）荧光（二次光）激发激发激发态激发态基态基态基态基态能量能量发射发射AESX-rayAFS,MFS,XFS产生的辐射通称为发射光谱，以产生的辐射通称为发射光谱，以辐射能对辐射频率或波长作图可得到辐射能对辐射频率或波长作图可得到发射光谱图发射光谱图（四）吸收光谱（四）吸收光谱 当辐射通过气态、液态或透明的固态物质时，物当辐射通过气态、液态或透明的固态物质时，物质的原子、离子或分子将质的原子、离子或分子将吸收与其内能变化相对吸收与其内能变化相对应的频率辐射应的频率
15、辐射，由低能态或基态过渡到较高的能，由低能态或基态过渡到较高的能态。这种由于态。这种由于物质对辐射的选择性吸收而得到的物质对辐射的选择性吸收而得到的光谱光谱，称为吸收光谱，常为一些，称为吸收光谱，常为一些暗线或暗带暗线或暗带。原子吸收：原子吸收光谱分析原子吸收：原子吸收光谱分析(AAS);分子吸收：紫外可见光度分析分子吸收：紫外可见光度分析(UV-Vis)；分子吸收：红外光谱分析分子吸收：红外光谱分析(IR)及拉曼光谱及拉曼光谱(Raman)；核吸收：核磁共振光谱核吸收：核磁共振光谱(NMR)。莫斯堡谱法莫斯堡谱法电磁电磁辐射辐射原子、离原子、离子、分子子、分子光光原子原子*、离、离子子*、分
16、子、分子*原子、离原子、离子、分子子、分子激发态激发态基态基态基态基态能量能量吸收吸收热热或荧光或荧光概念概念 光光谱谱分分析析：基基于于测测定定辐辐射射的的波波长长和和强强度度的的光光学学分分析析方法方法非非光光谱谱分分析析 ：不不涉涉及及光光谱谱测测定定和和能能级级的的跃跃迁迁，主主要要利利用用电电磁磁辐辐射射与与物物质质的的相相互互作作用用时时产产生生的的电电磁磁辐辐射射在在方方向向上上或或物物理理性性质质上上的的变变化化进进行行分分析析的的光光学学分分析析方法方法发发射射光光谱谱法法：通通过过测测量量原原子子或或分分子子的的特特征征发发射射光光谱谱来研究物质结构和测定其化学组成的方法来研究物质结构和测定其化学组成的方法吸吸收收光光谱谱法法：利利用用物物质质的的特特征征吸吸收收光光谱谱进进行行分分析析的的方法方法（五）（五）物质发射的光谱由其形状不同可分为：物质发射的光谱由其形状不同可分为：1 1、连续光谱、连续光谱 液态或固态物质液态或固态物质在高温下激发，发出各种在高温下激发，发出各种波长的光（多发于高温炽热物体）波长的光（多发于高温炽热物体）。温度越高，辐射温度越高，辐射越
