工科分析化学光学分析法导论随堂讲义

1、第第1212章章 光学分析法导论光学分析法导论 An Introduction to Optical Analysis 第第12章章 光学分析法导光学分析法导 论论 An Introduction to Optical Analysis 什么叫光学分析法？什么叫光学分析法？ 利用电磁辐射为利用电磁辐射为“探针探针”来探测物质性质来探测物质性质 、含量和结构的方法。、含量和结构的方法。 12-1 电磁辐射的基本特征电磁辐射的基本特征 12-2 辐射与物质的相互作用辐射与物质的相互作用 12-3 光学分析法的分类光学分析法的分类 12-4 光学光谱法的仪器光学光谱法的仪器 12-1 12-1 电磁

2、辐射的基本特征电磁辐射的基本特征 1 什么叫电磁波？什么叫电磁波？ 一种以巨大速度通过空间，不需要以任何物质作为传播媒介的一种以巨大速度通过空间，不需要以任何物质作为传播媒介的 能量形式，称为能量形式，称为电磁波电磁波。 在整个电磁辐射范围内，按波长或频率的大小顺序排列起来，在整个电磁辐射范围内，按波长或频率的大小顺序排列起来， 即为即为电磁波谱电磁波谱 电磁波的二重性电磁波的二重性 第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 2 波动性可用波性质的波参数来描述波动性可用波性质的波参数来描述 周期周期P （s） 频率频率 （s-1=Hz） =1/ P 波长波长 厘米厘米 微米微米 纳米纳米 埃

3、埃 cm m nm 10-2 m 10-6 m 10-9 m 10-10m 波数波数 （cm-1） 称为开瑟称为开瑟(Kayser, K表示表示)=1/ 第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 12-1 电磁辐射的基本特征电磁辐射的基本特征 第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 12-1 电磁辐射的基本特征电磁辐射的基本特征 2 波动性可用波性质的波参数来描述波动性可用波性质的波参数来描述 “时时”域参数域参数周期周期 P 频率频率 “空空”域参数域参数波长波长 波数波数 “时时”域参数与域参数与“空空”域参数的联系域参数的联系： 传播速度传播速度 V cm/s V= 真空中传播真空

4、中传播 速度速度c= (2.9979250.000001)1010cm/s 应该注意：频率更能表征辐射的特征应该注意：频率更能表征辐射的特征 频率频率 只决定于辐射源，而与介质无关只决定于辐射源，而与介质无关 波长波长 与传播速度与传播速度V、介质（折射率介质（折射率 n=c/V）有关有关 第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 12-1 电磁辐射的基本特征电磁辐射的基本特征 3 粒子性及普朗克关系式粒子性及普朗克关系式 粒子性粒子性 不连续的能量微粒不连续的能量微粒光子（光量子）光子（光量子） 能量能量 1 eV=1.602189210-19 J 常用每摩尔能量常用每摩尔能量 1 erg

5、=10-7 J=2.3901 10-8 Cal =6.2418 1011 eV 1 Cal=4.186 J 普朗克普朗克(Prank)关系式关系式 波动性波动性粒子性之间的粒子性之间的“桥桥” E = h = hc / 普朗克常数普朗克常数 (6.62559 0.00015)10-34焦耳焦耳 秒秒(J s) 核跃 迁 磁场中自旋 取向 分子 转动 分子 振动共价电子跃迁 内层 电子 跃迁 -射线射线 X 射线射线 紫外紫外 可可 见见 光光 近近 红红 外外 中红中红 外外 远红外远红外 顺磁共顺磁共 振振 核核 磁磁 共共 振振 红外波段微波波段射频波段 10810710610510410

6、3102101110-110-210-3 10-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11 101 波数波数 (cm-1) 波长波长 (m) 200 nm 800 nm 第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 12-1 电磁辐射的基本特征电磁辐射的基本特征 4 电磁波谱及分析方法电磁波谱及分析方法 电磁波谱区域电磁波谱区域 近紫外近紫外 第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 12-1 电磁辐射的基本特征电磁辐射的基本特征 4 电磁波谱及分析方法电磁波谱及分析方法 电磁波谱区域与相应的电磁波谱区域与相应的光谱分析方法光谱分析方法 光谱区域光谱区域 波

7、长范围波长范围 跃迁类型跃迁类型 光谱分析方法光谱分析方法 射线射线 0.001 0.1 核能级跃迁核能级跃迁 射线发射射线发射 法法 莫斯堡尔莫斯堡尔 法法 X射线射线 0. 1 100 原子內原子內层电子能级跃迁层电子能级跃迁 X-荧光、衍射法荧光、衍射法 电子能谱分析法电子能谱分析法 真空紫外真空紫外 10200nm 真空紫外吸收真空紫外吸收光谱法光谱法 紫外紫外 200400nm 外层电子及价电子能级外层电子及价电子能级 紫外可见吸收紫外可见吸收光谱法光谱法 可见可见 400800nm 外层电子及价电子能级外层电子及价电子能级 原子吸收、发射、荧光原子吸收、发射、荧光法法 分分子荧光子

8、荧光光谱法光谱法 近红外近红外 0.82.5m 分子振动能级分子振动能级 红外吸收红外吸收光谱光谱 法法 中红外中红外 2.550m 分子振动能级分子振动能级 拉曼拉曼光谱光谱 法法 远红外远红外 50300 m 分子转动能级分子转动能级 微波微波 0.31000mm 分子转动、电子自旋能级分子转动、电子自旋能级 微波吸收、电子顺磁共振谱微波吸收、电子顺磁共振谱 无线电波无线电波 1m 1000m 核自旋核自旋 核磁共振谱核磁共振谱 （单色光）入射（单色光）入射 法线法线 反射反射 I0 Ir i1 i2 空气空气 n n1 1 =1 =1 玻璃玻璃n n2 2 =1.5 =1.5 r r2

9、2 折射折射 折射折射: 斯涅尔（斯涅尔（Snell）折射定律）折射定律 n2Sinr2 = n1Sini1 反射反射: 入射角入射角i1 = 反射角反射角i2 反射的反射率反射的反射率 = Ir / I0= (n2 - n1)2/ (n2 + n1)2 i i1 16060时时 变化不大变化不大 12-2 12-2 电磁波与物质的相互作用电磁波与物质的相互作用 第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 全反射：全反射： Sini2n1/n2时出现时出现 i2超过某一值时，超过某一值时， 便发生全反射便发生全反射, 此角称临界角此角称临界角 服从反射定律服从反射定律 仅出现在折射率较高的介质

10、中。仅出现在折射率较高的介质中。 色散：折射率色散：折射率n 随频率随频率 而变而变 ，复合光的折射角随频率，复合光的折射角随频率 而改变而改变 n 正常正常色散色散 适宜制作适宜制作透镜透镜 n 反常反常色散色散 适宜制作适宜制作棱镜棱镜 第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 12-2 电磁波与物质的相互作用电磁波与物质的相互作用 干涉：两个波叠加时，组合波的振幅是组份波的矢量和干涉：两个波叠加时，组合波的振幅是组份波的矢量和 同相位组合波相长同相位组合波相长 相位差相位差1800组合波相消组合波相消 衍射：干涉现象的结果衍射：干涉现象的结果 平行单色光通过狭缝时平行单色光通过狭缝时

11、, 可在透镜后，屏幕上看到可在透镜后，屏幕上看到 明明 暗交替的衍射条纹暗交替的衍射条纹 第第12 章章 光学分析法导论光学分析法导论 12-2 电磁波与物质的相互作用电磁波与物质的相互作用 散射：散射： 瑞利瑞利(Rayleigh)散射散射 强度同波长的四次方成反比强度同波长的四次方成反比 频率不改变频率不改变 拉曼拉曼(Raman)散射散射 量子化的频率改变量子化的频率改变 吸收：吸收： 发射：发射： 能级间跃迁能级间跃迁 满足满足E=h 高能态（激发态）高能态（激发态）Ei 吸收吸收 发射发射 能级能级 h h 能级的简并能级的简并 低能态（基态）低能态（基态）E0 跃迁跃迁 光谱光谱

12、第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 12-2 电磁波与物质的相互作用电磁波与物质的相互作用 物质物质辐射能辐射能 相互作用为基础相互作用为基础 折射折射 非光谱法非光谱法 反射反射 不涉及能级间的跃迁不涉及能级间的跃迁 色散色散 只改变传播方向、速度只改变传播方向、速度 散射散射 相应方法相应方法 光学分析法光学分析法 或某些物理性质或某些物理性质 干涉干涉 衍射衍射 旋光旋光 光谱法光谱法能级跃迁能级跃迁波长和强度波长和强度 第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 12-2 电磁波与物质的相互作用电磁波与物质的相互作用 按电磁辐射的物质对象按电磁辐射的物质对象 分子光谱分子光谱

13、原子光谱原子光谱 按电磁辐射的能量传递方式按电磁辐射的能量传递方式 光谱法光谱法 吸收、发射、荧光、拉曼光谱吸收、发射、荧光、拉曼光谱 按电磁辐射的量子跃迁类型格按电磁辐射的量子跃迁类型格 核能级谱，核能级谱， 电子、振动、转动光谱，电子、振动、转动光谱， 电子自旋及核自旋谱电子自旋及核自旋谱 按电磁辐射的能量大小按电磁辐射的能量大小 相关方法简介，见教材相关方法简介，见教材 12-3 12-3 光学分析法的分类光学分析法的分类 第第12章章 光学分析法导论光学分析法导论 按电磁辐射的能量大小 光谱区域光谱区域 波长范围波长范围 跃迁类型跃迁类型 光谱分析方法光谱分析方法 射线射线 0.001

14、 0.1 核能级跃迁核能级跃迁 射线发射射线发射 法法 莫斯堡尔莫斯堡尔 法法 X射线射线 0. 1 100 原子內原子內层电子能级跃迁层电子能级跃迁 X-荧光、衍射法荧光、衍射法 电子能谱分析法电子能谱分析法 真空紫外真空紫外 10200nm 真空紫外吸收真空紫外吸收光谱法光谱法 紫外紫外 200400nm 外层电子及价电子能级外层电子及价电子能级 紫外可见吸收紫外可见吸收光谱法光谱法 可见可见 400800nm 外层电子及价电子能级外层电子及价电子能级 原子吸收、发射、荧光原子吸收、发射、荧光法法 分分子荧光子荧光光谱法光谱法 近红外近红外 0.82.5m 分子振动能级分子振动能级 红外吸收红外吸收光谱光谱 法法 中红外中红外 2.550m 分子振动能级分子振动能级 拉曼拉曼光谱光谱 法法 远红外远红外 50300 m 分子转动能级分子转动能级 微波微波 0.31000mm 分子转动、电子自旋能级分子转动、电子自旋能级 微波吸收、电子顺磁共振谱微波吸收、电子顺磁共振谱 无线电波无线电波 1m 1000m 核自旋核自旋 核磁共振谱核磁共振谱 电磁波谱区域与相应的光谱分析方法电磁波谱区域与相应的光谱分析方法 三种类型光谱仪器的总体结构