光学分析法导论.doc

课程介绍 一教学内容1 电磁辐射及电磁波谱的概念、特性及相关物理量2 物质与电磁辐射相互作用及相关的光谱学3 光学分析法的分类及特点4 光学分析法的基本仪器二重点与难点1 电磁辐射与电磁波谱的特殊2 各物理量的相互换算3 物质与电磁辐射相互作用的机制4 各种能级跃迁的概念及相应的光谱三教学目标1 牢固掌握电磁辐射和电磁波谱的概念及性质2 熟练掌握电磁辐射各种物理量之间的换算3 清楚理解物质与电磁辐射相互作用所产生的各种光谱4 清晰光学分析法分类的线索5 了解光谱法的基本仪器部件四建议学时安排2 学时概 述 光学分析法是基于能量作用于物质后产生电磁辐射信号或电磁辐射与物质相互作用后产生辐射信号的变化而建立起来的一类分析方法。它是仪器分析的重要分支。这里需注意到几个问题：电磁辐射包括从波长极短的射线到无线电波的所有电磁波谱范围，而不只局限于光学光谱区。电磁辐射与物质的相互作用方式很多，有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等等，各种相互作用的方式均可建立起对应的分析方法。因此，光学分析法的类型极多。基于上述两点，光学分析法的应用之广为其它类型的分析方法所不能相比。它在定性分析、定量分析、尤其是化学结构分析等方面起着极其重要的作用。随着科学技术的发展，光学分析法也日新月异，许多新技术、新方法不断涌现。电磁辐射的性质 电磁辐射是一种以极大的速度（在真空中为2.997921010cms-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-射线等。电磁辐射具有波动性和微粒性-称为电磁辐射的二象性。1. 电磁辐射的波动性电磁辐射是一种电磁波，它可以用电场矢量和磁场矢量来描述，如图9-1所示， 它是简单的单个频率的平面偏振电磁波。平面偏振就是它的电场矢量E在一个平面内振动，磁场矢量H在另一个与电场矢量E在一个平面内振动，电场和磁场矢量H都是正弦波形，并且都垂直于波的传播方向。由于与物质微粒内电荷相互作用的是电磁波的电场，所以一般情况下，仅以电场矢量表示电磁波。波的振动传播以及反射、衍射、干涉和散射等现象表现了电磁波具有波的性质，可以用以下的波参数来描述。 周期T 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称为波的周期，单位为s（秒）频率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动的次数称为频率，单位为Hz，即s-1（1/秒）。频率为周期的倒数，即。波长相邻两个波峰或波谷间的直线距离称为波长。若电磁波的传播速度为C，则 不同的电池波谱区可采用不同的波长单位，分别为m（米）、cm（厘米，等于10-2m）、m（微米，等于10-6m）、nm（纳米，等于10-9m），波数（或）每厘米长度内含有波长的数目称为波数，单位为cm-1，波数是波长的倒数，可表示为: 将波长换算成波数的关系式为: 电磁辐射的性质 2. 电磁辐射的微粒性光的粒子论最早是牛顿提出来的。而波动论和粒子论的争论一直持续到二十世纪，普朗克（Planck）提出的量子论才把两者联系起来，并为科学界所共识，即光具有二象性。普朗克认为，被热激发的振动质点的能量是量子化的。当振子从一个被允许的高能级向低能级跃迁时，就有一个光子的能量发射出来，一个光子的能量EP与辐射频率的关系为： 式中，h为普朗克常数，等于6.62610-34Js，c为光速。该式表明，光子能量与它的频率成正比，或与波长成反比，而与光的强度无关。它统一了属于粒子概念的光子能量EP与属于波动概念的光频率两者之间的关系。 光子的能量可以用J（焦耳）或eV（电子伏表示一个电子通过电位差为1伏特的电场所获得的能量），eV常用来表示高能量光子的能量单位。能量单位之间的换算见表9-1。表9-1 能量单位换算表 JCalErgeV1J（焦耳）10.23901076.24110181Cal（卡）4.18414.1841072.61210191erg（尔格）10-72.39010-816.24110111eV（电子伏）1.60210-193.82910-201.60210-121在化学中常用Jmol-1为单位表示1mol（摩尔）物质所发射或吸收的能量，即: 式中，NA 为阿伏加德罗常数，等于6.0221023，则: 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。表92列出了电磁波的有关参数。可见，电磁波谱是一个跨越1015波长范围的极宽的波谱带，其中表9-2电磁波谱的有关参数E/eV/Hz电磁波跃迁类型2.51056.010190.005nm射线区核能级2.51051.21026.010193.010160.00510nmX射线区1.21026.23.010161.5101510200nm真空紫外光区6.23.11.510157.5101410200nm近紫外光区3.11.67.510143.81014400800nm可见光区1.60.503.810141.210140.82.5m近红外光区0.502.510-21.210146.010122.550m中红外光区2.510-21.210-36.010123.0109501000m远红外光区1.210-34.110-63.01091.01091300mm微波区4.110-61.0109300mm无线电波区电子和核的自旋射线的波长最短（频率最高），能量最大；其后依次是X射线区，紫外可见和红外光区；无线电波区波长最长（频率最低），能量最小。物质的各种跃迁类型是与各电磁波谱区域相对应的，因此，可以由 公式计算在各波谱区域产生各类型跃迁所需的能量，反之亦然。例如，使分子或原子中的价电子激发跃迁所需的能量为120eV，则可以算出该能量范围相应的电磁波的波长为124062nm。 波长从200400nm的电磁波属于紫外光区，400800nm属于可见光区。因此，分子吸收紫外可见光区的光子能量时，足以引起价电子的激发跃迁。吸收、发射与散射 1. 吸收当原子、分子或离子吸收光子的能量与它们的基态能量和激发态能量之差满足时，将从基态跃迁至激发态，这过程称为吸收。若将测得的吸收强度对入射光的波长或波数作图，得到该物质的吸收光谱。对吸收光谱的研究可以确定试样的组成、含量以及结构。根据吸收光谱原理建立的分析方法称为吸收光谱法。 2. 发射 当物质吸收能量后从基态跃迁至激发态，激发态是不稳定的，大约经10-8s后将从激发态跃迁回至基态，此时若以光的形式释发出能量，这过程称为发射。 试样的激发有通过电子碰撞引起的电激发、电弧或火焰的热激发以及用适当波长的光激发等。 3. 散射 光通过介质时将会发生散射现象。 当介质粒子（如在乳浊液、悬浮液、胶体溶液中）的大小与光的波长差不多时，散射光的强度增强，用肉眼也能看到，这就是Tyndall效应。散射光的强度与入射光波长的平方成反比，可用于高聚物分子和胶体粒子的大小及形态结构的研究。 当介质的分子比光的波长小时发生Rayleigh散射。这种散射是光子与介质分之间发生弹性碰撞所致。碰撞时没有能量交换，只改变光子的运动方向，因此散射光的频率不变。散射光的强度与入射光波长的四次方成反比。 1928年，印度物理学家C.V.Raman发现占总强度约0.1%的散射光的频率发生了变化，这种散射现象被命名为拉曼散射。拉曼散射是光子与介质分子间发生了非弹性碰撞，碰撞时光子不仅改变了运动方向，而且还有能量的交换，因此散射光的频率发生了变化。频率高于入射光的称为反Stokes线；频率低于入射光的称为Stokes线。Stokes线和反Stokes线称为拉曼谱线，散射光频率与入射光频率之差称为拉曼位移。拉曼位移与分子的振动频率有关。具有拉曼活性的分子振动时伴有极化率的变化，振动时极化率的变化愈大，拉曼散射愈强。利用拉曼位移可研究物质的结构，其方法称为拉曼光谱法。折射和反射 1. 折射 当光从介质（1）射到另一介质（2）的界面时，一部分光在界面上改变方向返回介质（1），称为光的反射。反射在法线NN的另一侧离开界面，而入射角i与反射角i相等。另一部分光则改变方向以r的角度（折射角）进入介质（2），这种现象称为光的折射，如图92所示。 折射的程度用折射率n表示。介质的折射率定义为光在真空中的速度c与光在该介质中的速度c2之比： 折射角r与介质（2）的折射率有关： 即: 该式为Shell折射定律。真空中介质的折射率（n为1.00000）称为绝对折射率。介质（1）常为空气，绝对折射率为1.00029，由此得到的物质折射率称为常用折射率。 不同介质的折射率不同，同一介质对不同波长的光具有不同的折射率。波长越长，折射率越小，据此棱镜可以进行分光。2. 反射 当光通过具有不同折射率的两种介质的界面时会产生反射。反射的分数随两种介质的折射率之差增加而增大。当光垂直投射到界面上时，反射分数（反射率）： 式中，I0和Ir分别为入射光和反射光的强度。 当光由空气（n为1.00029）通过玻璃（n约为1.5）时，在每一空气玻璃界面约有4%的反射损失。这种反射损失在各种光学仪器，尤其在有数个界面的光学仪器中必须注意。 由物质的折射率求出该物质的浓度或纯度的方法称为折射法。干涉和衍射 1. 干涉 在一定条件下光波会相互作用，当其叠加时，将产生一个其强度视各波的相位而定的加强或减弱的合成波。当两个波的相位差180时，发生最大相消干涉。但两个波同相位时，则发生最大相长干涉。通过干涉现象，可获得明暗相间的条纹。若两波相互加强，得明亮条纹；若相互抵消，得暗条纹。2. 衍射 光波绕过障碍物或通过狭缝时，以约180的角度向外辐射，波前的方向发生了弯曲，这是波的衍射现象，它是干涉的结果。 若以一束平行的单色光通过一狭缝AB时，可以在屏幕xy上看到或明或暗交替的衍射条纹。图93中b为狭缝宽度。 为衍射角。经聚光镜聚光在P0时相位不变，在P0处出现一明亮的中央明条纹（或称零级亮条纹）；经聚光镜聚光于P点时，各光波到达P点的相位不等。AP与BP的光程差AC应为： P点是明还是暗决定于光程差。为使两光波在P处同相，必须使AC对应于相应的波长： 此时两波相互加强，在P点出现明条纹。当光程差为2、3n时，也产生增强效应。因此，在中央明条纹两边的各亮带的一般表示式为： 式中，n为整数，称为干涉的级。 入射光为单色光时，衍射角随狭缝宽度b变小而增大，也就是中央明条纹区增大；反之，b变大，变小，中央明条纹区缩小。当狭缝b一定时，波长越长，衍射角越大，中央明条纹也越大。 单狭缝衍射的光能主要集中在中央明条纹上。狭缝宽度接近于光的波长时，各亮带的强度将随与中央明条纹距离的增加而降低，如图94所示。偏 振 任何电磁波都可以用互相垂直的电场矢量E和磁场矢量H来表征。炽热物体发出的光波，是电磁波的混合波，它在不同时刻的所有可能方向上，电场矢量E（或磁场矢量H）可以分解为任何两个相互垂直的、独立振动的和振幅相等的分振动。具有这种性质的光称为天然光。 天然光通过某些物质时，某一方向的振动得以保留，而另一方向的振动被消除。这种只有一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。对于振幅为 a0 、位相为t的平面偏振光，可以得到： 平面偏振光可以看成为周期、速度及振幅都相同，而旋转方向相反（一左一右）的两个圆偏振光的合成。当迎着光的传播方向观察时，顺时针方向螺旋前进的称为右旋圆偏振光，用符号d表示，反时针方向螺旋前进的称为左旋圆偏振光，用符号l表示。 当偏振光进入旋光物质中时，左、右旋圆偏振光的传播速度便不一样，在到达介质的某一深度时，传播速度慢的圆偏振光的位相就会比传播速度快的圆偏振光落后一定的位相。两者合成的平面偏振光就会旋转一个角度。基于这种原理建立的分析方法，称为旋光色散法。 此外，平面偏振光与物质相互作用后，由于物质对左、右旋圆偏振光的吸收情况不相同，导致两者的能量及振幅也不相同，合成后偏振光的电矢量E不再在一条直线上运动，而是沿着一椭圆形运动，通常用椭圆率Q来表征两种圆偏振光的吸收系数d和l的差别。基于这种原理建立的分析方法，称为圆二色散法。 具有旋光性或圆二色性的光学活性物质，通常由于两种原因引起的：一种是物质的宏观各性异向，例如，分子在晶格中的空间排列不对称而引起的左、右异构体；另一种是由于分子本身的不对称引起的，因此，可以用这两种方法研究物质的结构和构象。光学分析法的分类 光学分析法的分类可以用下图表示。 本课程主要阐述光谱法内容，但、X射线光谱、穆斯堡尔谱除外。 1. 光谱法 非光谱法是基于辐射与物质相互作用时，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。非光谱法不涉及物质内部能量的跃迁，不测定光谱，电磁辐射只改变了传播方向、速度或某些物理性质。属于这类分析方法的有折射法、偏振法、光散射法（比浊法）、干涉法、衍射法、旋光法和圆二色性法等。 2. 非光谱法 光谱法是基于辐射能与物质相互作用时，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而进行分析的方法。光谱法依据于辐射作用的物质对象不同，一般分为原子光谱和分子光谱两大类。 原子光谱是由于原子外层或内层电子能级的跃迁所产生的光谱，它的表现形式为线状光谱。属于这类分析方法的有原子发射光谱（AES）、原子吸收光谱（AAS）、原子荧光光谱（AFS）及X射荧光光谱（XFS）等方法。分子光谱是由于分子中电子能级、振动和转动能级的跃迁所产生的光谱，其表现形式为带状光谱。属于这类分析法的有紫外可见分光光度法（UVVIS）、红外光谱法（IR）、分子荧光和磷光光谱法（MFS、MPS）等方法。此外，基于核自旋及电子自旋能级的跃迁而对射频辐射的吸收所产生的核磁共振和电子自旋共振波谱法，也归属于分子光谱。 光谱法依据于物质与辐射相互作用的性质，一般分为发射光谱法、吸收光谱法、拉曼散射光谱法三种类型。光学分析法的分类 1. 发散光谱法 物质通过电致激发、热致激发或光致激发等过程获取能量，变成为激发态的原子或分子M*，激发态的原子或分子量极不稳定的，它们可能以不同形式释放出能量从激发态跃迁至基态或低能态，如果这种跃迁是以辐射形式释放多余的能量就产生发射光谱 图95、96分别为热致激发和光致激发的发射光谱示意图。图9.5 用火焰、电弧等激发的发射光谱示意图（a）用火焰、电弧等激发;（b）激发（虚线）或发射（实线）过程中能量的变化；（c）光谱图图9.6 光致发光示意图（a）用光照射样品使它激发;（b）激发态以发射光子（发光）或非辐射过程（虚线）释放能量；（c）光谱图 通过测量物质发射光谱的波长和强度来进行定性、定量分析的方法叫做发射光谱法。依据光谱区域和激发方式不同，发射光谱有以下几种。 射线光谱法 天然或人工放射性物质的原子核在衰变过程中发射和粒子后，往往自身的核激发，然后该核通过发射射线回到基态。测量这种特征射线的能量（或波长），可以进行定性分析；测量射线的强度（检测器每分钟的记数），可以进行定量分析。 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射线来激发X射线荧光是最常用的方法。测量X射线的能量（或波长）可以进行定性分析，测量其强度可以进行定量分析。 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，利用这种光谱进行分析的方法叫做原子发射光谱分析法。波长范围为190900nm，可用于定性和定量分析。 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高能态，约经10-8s，又跃迁至基态或低能态，同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射，称为原子荧光。波长在紫外和可见光区。在与激发光源成一定角度（通常为90）的方向测量荧光的强度，可以进行定量分析。 分子荧光分析法 某些物质被紫外光照射后，物质分子吸收了辐射而成为激发态分子，然后在回到基态的过程中发射出比入射光波长更长的荧光。测量荧光的强度进行分析的方法称为荧光分析法。波长在光学光谱区。 分子磷光分析法 物质吸收光能后，基态分子中的一个电子被激发跃迁至第一激发单重态轨道，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，并经过振动弛豫至最低振动能级，由此激发态跃回至基态时，便发射磷光。根据磷光强度进行分析的方法称为磷光分析法。它主要用于环境分析、药物研究等方面的有机化合物的测定。 化学发光分析法 由化学反应提供足够的能量，使其中一种反应产物的分子的电子被激发，形成激发态分子。激发态分子跃回基态时，就发出一定波长的光。其发光强度随时间变化，并可得到较强的发光（峰值）。在合适的条件下，峰值与被分析物浓度成线性关系，可用于定量分析。由于化学发光反应类型不同，发射光谱范围为4001400nm。2. 吸收光谱 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能满足 的关系时，将产生吸收光谱 图97为吸收光谱产生的示意图，图9.7 光吸收示意图（a）强度为I0的入射光通过样品后其强度减小为I；（b）频率为1或2的入射光的能量相当于两能级的能量差；（c）吸收光谱图 通过测量物质对辐射吸收的波长和强度进行分析的方法叫做吸收光谱法。它有以下几种分析方法。 穆斯堡尔（Mssbauer）谱法 由与被测元素相同的同位素作为射线的发射源，使吸收体（样品）的原子核产生无反冲的射线共振吸收所形成的光谱。光谱波长在射线区。从Mssbauer谱可获得原子的氧化态和化学键、原子核周围电子云分布或邻近环境电荷分布的不对称性以及原子核处的有效磁场等信息。 紫外可见分光光度法 它是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，可用于定性和定量测定。 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。 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。 顺磁共振波谱法 在强磁场的作用下，电子的自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为磁量子数Ms值不同的磁能级，磁能级之间的跃迁吸收或发射微波区的电磁辐射。在这种吸收光谱中，不同化合物的耦合常数不同，可用来进行定性分析。根据耦合常数，可用来帮助结构的确定。 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。利用这种吸收光谱可进行有机化合物结构的鉴定，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。 Raman散射 频率为0的单色光照射到透明物质上，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的，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。这种散射光的频率（）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。概 述 用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射的强度和波长的关系的仪器叫做光谱仪或分光光度计。这一类仪器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，如图98所示。不同方法的仪器其部件的连接次序还有不同，在下面各章中将详细介绍。光源、单色器和样品容器 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。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。单色器由入射光狭缝和出射光狭缝、准直镜以及色散元件所组成。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。 配备单色器的光学分析仪器称为色散型的仪器，现代一些精密仪器利用光的干涉原理制成仪器，称为干涉型的仪器，如傅里叶交换红外光谱仪。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的差异，将在有关章节中阐述。检测器和读出装置 4. 检测器 在光学分析仪器中，用光电转换器件作为检测器。这类检测器必须在一个宽的波长范围内对辐射有响应，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，即 : 式中G是检测器的响应信号（通常以电流、电阻或电势差为单位的电信号），常数K取决于检测器的灵敏度，Dc为仪器的暗电流，一般可用补偿电路加以消除。 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。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。思考题与练习题 1. 对下列的物理量单位进行换算：（1）150pm