2-现代仪器分析-光分析导论

第二章光学分析法导论一、光的性质及其与物质的相互关系二、光分析法的分类三、光分析法仪器第二章光学分析法导论光学分析法（opticalmethodsofAnalysis）根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用建立起来的一类分析方法。或以电磁辐射为信号的分析方法。三个基本过程：（1）能量源提供能量；（2）能量与被测物之间的相互作用；（3）产生信号并被检测。第二章光学分析法导论第一节电磁辐射/光的性质电磁辐射是一种以极大的速度（在真空中为2.99792×1010cm·s-1）通过空间，而不需要以任何物质作为传播媒介的能量形式（注意！是一个能量形式）。它包括无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光以及X-射线和γ-射线等。电磁辐射具有波动性和微粒性——称为电磁辐射的波粒二象性。第二章光学分析法导论微粒说艾萨克·牛顿爵士，英国物理学家、数学家、科学家和哲学家，同时是炼金术热衷者。波动说克里斯蒂安·惠更斯荷兰物理学家、天文学家、数学家。第二章光学分析法导论第二章光学分析法导论（一）电磁辐射的波动性经典物理学：电磁辐射是在空间传播着的交变电磁场，称作电磁波。光的波动性可用波长λ、频率ν、波速υ、波数σ等参数来描述：第二章光学分析法导论频率ν是1s内电磁场振荡的次数，单位为Hz或s-1。波长λ是相邻两个同位相点之间的距离，单位为cm，µm，nm。第二章光学分析法导论波数σ是1cm内波的数目，单位为cm-1。σ＝1/λ波速υ是电磁辐射传播的速度，υ＝λν；在真空中所有电磁辐射的传播速度相同，都等于光速。c＝λν＝2.99792×1010cm·s-1波动性用于解释折射、衍射、干涉和散射等波动现象。第二章光学分析法导论（二）微粒性量子理论：电磁辐射是在空间高速运动的光量子流（光子流）每个光子的能量用E来表征，单位eV或J，1eV＝1.60×10-19J普朗克方程将电磁辐射的波动性和微粒性联系起来：E=hν=hc/λ其中，h为谱朗克常量，6.63×10-34J·s或4.136×10-15eV·s。可以看出，辐射的频率越高，光子的能量就越高。第二章光学分析法导论辐射的特性：(1)吸收物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能级跃迁到高能级；(2)发射将吸收的能量以光的形式释放出；(3)散射丁铎尔散射和分子散射；(4)折射折射是光在两种介质中的传播速度不同；(5)干涉两光叠加，某些区域加强，某些区域减弱；(6)衍射光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；(7)偏振只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。第二章光学分析法导论干涉,衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波;光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子;因此现代物理学认为:光具有波粒二象性.第二章光学分析法导论三、电磁波谱:将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺序排列所画成的图或表称为电磁波谱。第二章光学分析法导论第二章光学分析法导论波谱区波长范围光子能量/eV能级跃迁类型射线区X射线区远紫外区近紫外区可见光区近红外区中红外区远红外区微波区射频区＜0.005nm0.005~10nm10~200nm200~400nm400~780nm0.78~2.5m2.5~50m50~1000m0.1~100cm1~100m＞2.5105＞2.5105~1.21021.2102~6.26.2~3.13.1~1.71.7~0.50.5~0.0252.510-2~1.210-41.210-4~1.210-71.210-6~1.210-9原子核能级内层电子能级原子的电子能级或分子的成键电子能级分子振动能级分子转动能级电子自旋能级或核自旋能级根据能量的高低，电磁波谱又可分为三个区域：（1）高能辐射区（能谱法）包括γ射线和X射线区。高能辐射的粒子性比较突出。（2）中能辐射区（光谱法）包括紫外区、可见光区和红外区。常称作光学光谱区。（3）低能辐射区（波谱法）包括微波和射频区，通常称作波谱区。第二章光学分析法导论第二节光分析法的分类第二章光学分析法导论光学分析法可以分为光谱法和非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、衍射和偏振等变化的分析方法。第一章、绪论光分析法原子吸收法红外法原子发射法核磁法荧光法紫外可见法分子光谱原子光谱光谱法非光谱法原子荧光法磷光法化学发光法拉曼法折射法电子衍射法干涉法浊度法旋光法X射线衍射法第一章、绪论光谱法分为原子光谱和分子光谱。原子光谱（线性光谱）：最常见的三种基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱（AAS）；原子发射光谱（AES）；原子荧光光谱（AFS）；第二章光学分析法导论分子光谱（带状光谱）：基于分子中电子能级、振-转能级跃迁；紫外光谱法（UV）；红外光谱法（IR）；分子荧光光谱法（MFS）；分子磷光光谱法（MPS）；核磁共振与顺磁共振波谱（N）；非光谱法：不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变传播方向等物理性质；偏振法、干涉法、旋光法等；第二章光学分析法导论原子光谱是由原子外层或内层电子能级的变化产生的，表现为线光谱；分子光谱是由分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生的，表现为带光谱。第二章光学分析法导论第三节光分析法仪器光谱仪器通常包括五个基本单元：光源、单色器、样品容器、检测器和读出器件。第二章光学分析法导论1.光源光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率和稳定性。由于光源辐射功率的波动与电源功率的变化成指数关系，因此往往需用稳压电源以保证稳定，或者用参比光束的方法来减少光源输出的波动对测定所产生的影响。光源有连续光源和线光源等。第二章光学分析法导论第二章光学分析法导论一般连续光源主要用于分子光谱中。连续光源有：紫外光源，主要是采用氢灯，氘灯或氙灯；可见光源，常用的是钨丝灯、卤钨灯；红外光源，常用的是硅碳棒、能斯特灯等。线光源主要用于原子光谱中，线光源有金属蒸气灯（常见的是汞或钠蒸气灯）,空心阴极灯，用于原子吸收光谱中，还有激光光源。2.单色器光学分析仪器几乎都有单色器，它的作用是将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。单色器主要组件：1、入射光狭缝和出射光狭缝；2、准直镜使辐射束成为平行光线；3、色散元件使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；第二章光学分析法导论第二章光学分析法导论其中色散元件是最主要的部件，色散元件有棱镜和光栅两种。由于光栅的色散能力和分辨本领均大大优于棱镜，所以现在的光学分析仪器已大部分采用光栅色散元件。第二章光学分析法导论棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线强度分布；第二章光学分析法导论第二章光学分析法导论3.样品容器盛放样品的容器必须由光透明的材料制成。在紫外光区工作时，采用石英材料；在可见光区工作时，则用硅酸盐玻璃材料；在红外光区工作时，则可根据不同的波长范围选择不同的材料（主要有碱金属或碱土金属的卤化物）的晶体，制成样品池的窗口。样品容器主要用于分子光谱中，原子光谱的样品引入有较大差异，将在有关章节中阐述。4.检测器在光学分析仪器中，用光电转换器件作为检测器。在辐射能量较低时响应应灵敏，对辐射的响应速度要快，响应信号要容易放大，噪声水平要低，而更重要的是响应信号应与照射光的强度I成线性关系。第二章光学分析法导论检测器可分为两类，一类对光子有响应的光检测器，如硒光电池、光电管（也称真空光电二极管）、光电倍增管、半导体检测器和硅二管阵列检测器等；另一类为对热产生响应的热检测器，这种检测器用于红外光谱法，利用红外光的热效应使检测器产生响应信号，如真空热电偶、测热辐射计、高莱池和热释电检测器等。第二章光学分析法导论5.读出装置由检测器将光信号转换为电信号并经放大后，可用检流计、微安表、记录仪、数字显示器或阴极射线显示器显示或记录测定结果。第二章光学分析法导论序号大写小写英文注音国际音标注音中文注音序号大写小写英文注音国际音标注音中文注音1Ααalphaa:lf阿尔法13Ννnunju纽2Ββbetabet贝塔14Ξξxiksi克西3Γγgammaga:m伽马15Οοomicronomik`ron奥密克戎4Δδdeltadelt德尔塔16Ππpipai派5Εεepsilonep`silon伊普西龙17Ρρrhorou肉6Ζζzetazat截塔18Σσsigma`sigma西格马7Ηηetaeit艾塔19Ττtautau套8Θθthetθit西塔20Υυupsilonjup`silon宇普西龙9Ιιiotaiot约塔21Φφphifai佛爱10Κκkappakap卡帕22Χχchiphai西11Λλlambdalambd兰布达23Ψψpsipsai普西12Μμmumju缪24Ωωomegao`miga欧米伽补充知识二希腊字母读音表习题一、选择题1.光量子的能量正比于辐射的（）A、频率B、波长C、波数D、传播速度2.下列分析方法中，属于非光谱法的是（）A、原子吸收法B、原子发射法C、核磁共振法D、折射法第二章光学分析法导论3.在光学分析法中，采用钨灯做光源的是（）A、原子光谱B、分子光谱C、可见分子光谱D、红外光谱二、填空题1、在光学分析法中，基于光的吸收、发射和拉曼散射等作用，通过测定光谱的波长和强度来进行计量的分析方法，称___________.2.光谱仪器一般包括_____、______、______、_______、______五个基本单元。第二章光学分析法导论