仪器分析课件光学分析法导论

1、第二章第二章 光学分析法导论光学分析法导论Guide of Optics Analytical MethodChapter Two2-1 电磁辐射的基本性质电磁辐射的基本性质 2-2 光学分析法的分类光学分析法的分类 2-3 光学光谱法所用仪器光学光谱法所用仪器 2-4 光学分析法的应用光学分析法的应用 目 录要研究光学分析法首先要了解光？要研究光学分析法首先要了解光？ 光光是一种与物质的内部运动有关的电磁辐射。是一种与物质的内部运动有关的电磁辐射。也可以说，光就是一种电磁波。也可以说，光就是一种电磁波。光学分析法光学分析法 ？ 光学分析法光学分析法选择发射选择发射选择吸收选择吸收 光学分析法

2、（光谱分析法）光学分析法（光谱分析法）是建立在物质发射的是建立在物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用基础上的各种电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用基础上的各种分析方法的统称。分析方法的统称。 根据物质吸收或者发射电磁辐射的不同就可以对根据物质吸收或者发射电磁辐射的不同就可以对物质进行定性、定量分析。可见光学分析法主要是物质进行定性、定量分析。可见光学分析法主要是讨论讨论物质与电磁辐射相互作用物质与电磁辐射相互作用的分析方法。的分析方法。M（基态）（基态）+ 能量能量M*（激发态）（激发态）M +h热能热能电能电能光能（光能（h） 产生相互作用的两方面，产生相互作用的两方面，即物质和电磁辐射

3、所包含的范畴；即物质和电磁辐射所包含的范畴； 物质与电磁辐射相互作用物质与电磁辐射相互作用 物质和电磁辐射相互作用的方式（广）。物质和电磁辐射相互作用的方式（广）。物物 质：质： 物质的大部分存在形式物质的大部分存在形式：如原子、分子、如原子、分子、 原子核及核内中子等；原子核及核内中子等；电磁辐射：电磁辐射： 广义电磁辐射的绝大部分波谱范围。广义电磁辐射的绝大部分波谱范围。2-1 电磁辐射的基本性质电磁辐射的基本性质 电磁辐射是以巨大速度通过空间，不需要电磁辐射是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能量形式。以任何物质作为传播媒介的一种能量形式。 早 在早 在 1 7 世

4、纪 末 的世 纪 末 的1680年，牛顿主张光是年，牛顿主张光是象经典力学中的质点那象经典力学中的质点那样的粒子流，光之所以样的粒子流，光之所以有不同颜色是因为粒子有不同颜色是因为粒子流中微粒种类不同；流中微粒种类不同； 1690年，惠更斯则年，惠更斯则提出了另一种看法：提出了另一种看法：认为光是由光源在其认为光是由光源在其周围介质里引起弹性周围介质里引起弹性振动而形成的波，光振动而形成的波，光之所以有不同颜色是之所以有不同颜色是因为波的波长不同；因为波的波长不同； 光波动说的创始人惠更斯光波动说的创始人惠更斯 麦克斯韦证明光是麦克斯韦证明光是一种电磁波，于是光一种电磁波，于是光的波动学说更战

5、胜了的波动学说更战胜了粒子学说，在相当长粒子学说，在相当长时期占据统治地位；时期占据统治地位； 20世纪初，爱因斯坦光世纪初，爱因斯坦光子学说解释光电效应得到子学说解释光电效应得到成功，并进一步被其它实成功，并进一步被其它实验证实，迫使人们在承认验证实，迫使人们在承认光是波的同时又承认光是光是波的同时又承认光是由一定能量和动量的粒子由一定能量和动量的粒子（光子）所组成。光具有（光子）所组成。光具有波动和微粒的双重性质波动和微粒的双重性质，就称为就称为光的波粒二象性光的波粒二象性，其波粒二象性可以被波动其波粒二象性可以被波动力学统一起来。力学统一起来。 2-1-1. 电磁辐射的波动性电磁辐射的波

6、动性图图2.1 单光色平面偏振光的传播单光色平面偏振光的传播E H波动性波动性用周期、频率、波长、波数等波参数描述用周期、频率、波长、波数等波参数描述 周期周期T-T-辐射完成一次振荡的时间；辐射完成一次振荡的时间；s频率频率-每秒内辐射振荡的次数；每秒内辐射振荡的次数；s-1或或Hz波长波长-相邻两个波峰或波谷间的距离；相邻两个波峰或波谷间的距离；cm,m,nm,pm波数波数 - -每厘米内波的数目；每厘米内波的数目； cm-1， =1/传播速度传播速度v - 波在一秒钟内通过的距离；波在一秒钟内通过的距离； v = cvv2211 所有电磁辐射在真空中传播的速度均相同：所有电磁辐射在真空中

7、传播的速度均相同： c = 2.997 924 58108 ms-1 2-1-2. 电磁辐射的粒子性电磁辐射的粒子性 根据量子理论，电磁辐射是在空间高速运动的光量子根据量子理论，电磁辐射是在空间高速运动的光量子或光子流。可以用每个光子所具有的能量（或光子流。可以用每个光子所具有的能量（E）表征。）表征。单位：单位：eV或或J（1eV = 1.60210-19J，1J = 6.2411018eV） 电磁辐射的粒子性就是将辐射看作是不连续的能量微电磁辐射的粒子性就是将辐射看作是不连续的能量微粒，即光子或光量子。粒，即光子或光量子。物质以一份份能量的形式发射或吸物质以一份份能量的形式发射或吸收光，这

8、些能量是一个特殊的能量单位的倍数。这个能量收光，这些能量是一个特殊的能量单位的倍数。这个能量单位称为单位称为光子或光量子光子或光量子。虽然对于不同的电磁辐射来说光。虽然对于不同的电磁辐射来说光子的能量大小不同，但是如果光子的能量除以电磁辐射的子的能量大小不同，但是如果光子的能量除以电磁辐射的频率却总是一个频率却总是一个常数常数，称为称为普朗克常数普朗克常数：h 332211SJ 106.626-34hcchh普朗克普朗克方程方程每个光子的能量与相应频率或波长之间的关系为每个光子的能量与相应频率或波长之间的关系为1. 普朗克公式把光的粒子性与波动性统一起来，不普朗克公式把光的粒子性与波动性统一起

9、来，不同波长的光能量不同。同波长的光能量不同。2. 光量子的能量和波长成反比，和频率及波数成正比。光量子的能量和波长成反比，和频率及波数成正比。越长，越长，越小，越小，、越低越低可用波数表示能量的高低，单位可用波数表示能量的高低，单位 cm-1。习题例：计算波长例：计算波长530nm530nm的绿色光的光子能量、频率及波数。的绿色光的光子能量、频率及波数。 E = hc/ = (6.62610-34 Js2.9981010 cms-1)/53010-7 cm = 3.7510-19 J 1 J=6.2411018 eV, 则则 E= 3.7510-19 J6.2411018 eVJ-1=2.3

10、4 eV解：解： 1.1.光子能量光子能量2. 2. 频率频率= c/ = 2.9981010 cms-1/ 53010-7 cm3. 3. 波数波数= 1/=1 / 53010-7 cm = 1.89104 cm-1 波长为波长为0.9nm的单色的单色X射线的频率和波数射线的频率和波数=0.9nm, 则则= c/=3.0108/0.910-9 = 3.31017 s-1 = 1/=1/0.910-7= 1.1107 cm-12-1-3电磁波谱电磁波谱 按波长或频率的大小顺序排列起来的电磁辐射按波长或频率的大小顺序排列起来的电磁辐射短短 波长波长 长长 10-2 nm 10 nm 102 nm

11、 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm可可 见见 光光射线射线 X射线射线 紫外光紫外光 红外光红外光 微微 波波 无线电波无线电波微波炉工作原理微波炉工作原理 短短 波长波长 长长 10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm可可 见见 光光射线射线 X射线射线 紫外光紫外光 红外光红外光 微微 波波 无线电波无线电波 从上到下，波长从上到下，波长 ，光量子的频率和能量，光量子的频率和能量 ， 波长量的渐变波长量的渐变 电磁辐射质的区别；电磁辐射质的区别； 1. 电磁波谱的排列表现出明显的规律性。电磁波

12、谱的排列表现出明显的规律性。量变量变 质变质变2. 各种电磁辐射波长不同，产生的机理也不同：各种电磁辐射波长不同，产生的机理也不同： b. 光学光谱区：光学光谱区： 10nm 1mm， 102 eV 10-4 eVa. 高能辐射区：高能辐射区：10nm，102 eVc. 波波 谱谱 区：区： 1mm， 10-4 eV 能谱分析法能谱分析法光谱分析法光谱分析法波谱分析法波谱分析法2-2 光学分析法的分类光学分析法的分类一一. 根据测量的信号是否与能级跃迁有关，可分为：根据测量的信号是否与能级跃迁有关，可分为：1光谱法：与能级跃迁有关光谱法：与能级跃迁有关 发射光谱法发射光谱法 吸收光谱法吸收光谱

13、法 散射光谱法散射光谱法 2非光谱法：与能级跃迁无关非光谱法：与能级跃迁无关 2-2-1. 发射光谱法发射光谱法 通过通过测量分子或原子的特征发射光谱测量分子或原子的特征发射光谱来研究物质结构来研究物质结构和测定其化学组成。和测定其化学组成。 MM*h2-2-2. 吸收光谱法吸收光谱法 测量物质的特征吸收光谱进行分析。测量物质的特征吸收光谱进行分析。 MM*hchhE2-2-3. 散射光谱法散射光谱法 a a拉曼（拉曼（Raman）散射：）散射： 非弹性碰撞非弹性碰撞, ,方向及波长均改变方向及波长均改变, , 能量交换能量交换 频率为频率为0的单色光照射透明物质，的单色光照射透明物质，物质分

14、子会发生散射现象。如果这种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，则称为化，它的能量也发生变化，则称为Raman散射散射。这种散射光的频率（。这种散射光的频率（m）与入射光的频率不同，称为与入射光的频率不同，称为Raman位位移移. Raman位移的大小与分子的振动位移的大小与分子的振动和转动的能级有关，利用和转动的能级有关，利用Raman位移位移研究物质结构的方法称为研究物质结构的方法称为Raman光谱光谱法法。The Nobel Prize in

15、Physics 1930“for his work on the scattering of light and for the discovery of the effect named after him”弹性碰撞弹性碰撞, , 方向改变方向改变, , 不变不变, , 无能量交换无能量交换 41I 解释为什么晴朗的天空是解释为什么晴朗的天空是蓝色蓝色的的，早晚太阳是，早晚太阳是红色的红色的？b b瑞利（瑞利（Rayleigh）散射：）散射：二二. 根据与电磁辐射作用的物质的存在形式可分为：根据与电磁辐射作用的物质的存在形式可分为：1 1原子光谱：气态的单个原子或离子原子光谱：气态的单个原子

16、或离子2 2分子光谱：分子分子光谱：分子2 2非光谱法：与能级跃迁无关非光谱法：与能级跃迁无关 折射法折射法比浊法比浊法旋光法旋光法 2-3 光学光谱法所用仪器光学光谱法所用仪器 光学光谱仪基本上均由五部分组成，即：光学光谱仪基本上均由五部分组成，即：光源（辐射源）、单色器、样品池、检测器和光源（辐射源）、单色器、样品池、检测器和信号显示系统（读出器件）信号显示系统（读出器件）l 发射光谱仪不需要外加辐射源发射光谱仪不需要外加辐射源 l 吸收光谱仪仪器部件在一条直线上，荧光、吸收光谱仪仪器部件在一条直线上，荧光、 散射则辐射源与检测器成散射则辐射源与检测器成9090角。角。2-3-1. 光光

17、源源 对光源的要求对光源的要求： 强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。 连续连续光源光源紫外光紫外光H2灯灯160-375nmD2灯灯可见光可见光W灯灯340-2500nm氙灯氙灯250-700nm红外光红外光Nernst灯灯6000-5000cm-1之间有最大之间有最大强度强度硅碳棒硅碳棒线光源线光源金属蒸汽灯金属蒸汽灯Hg灯灯254-734nmNa灯灯589.0nm，589.6nm空心阴极灯空心阴极灯空心阴极灯空心阴极灯也称元素灯也称元素灯高强度空心阴极灯高强度空心阴极灯激光激光红宝石激光器红宝石激光器693.4nmHe-Ne激光器激

18、光器632.8nmAr离子激光器离子激光器515.4nm，488.0nm发射光谱光源发射光谱光源直流电弧直流电弧电能电能交流电弧交流电弧高压火花高压火花ICP2-3-2. 单色器（分光系统）单色器（分光系统） 作用：作用： 将复合光分解为按波长次序排列的单色光将复合光分解为按波长次序排列的单色光 照照明明系系统统准准直直系系统统 色色散散系系统统 投投影影系系统统 KIKKL1L2照明透镜组照明透镜组入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜分光元件分光元件暗箱物镜暗箱物镜物镜焦面物镜焦面1照明系统照明系统照明透镜照明透镜 L 到入射狭缝到入射狭缝 S c. 使使 S 得到均匀照明，即在得到均匀照明，即在

19、S 的全范围内光强度一致。的全范围内光强度一致。作用：作用： 将光源将光源 B 所发射的光线聚焦于狭缝所发射的光线聚焦于狭缝 S，使，使 S 得到均匀照明得到均匀照明 透镜组透镜组 K 在这里起到三个作用：在这里起到三个作用：a. 最大限度地从光源最大限度地从光源 B 采光，以聚集高的光能量；采光，以聚集高的光能量；b. 使光源使光源 B 的光线聚集于狭缝，的光线聚集于狭缝，S 相当于一个点光源发光；相当于一个点光源发光；KIKKL1L22准直系统（平行光管）准直系统（平行光管）平行光束入射分光元件是一切光谱仪分光的基础平行光束入射分光元件是一切光谱仪分光的基础 作用：作用：把狭缝把狭缝 S

20、入射的光线转变为入射的光线转变为平行光束平行光束，使其到达分，使其到达分光元件的第一入射面时入射角完全相同。光元件的第一入射面时入射角完全相同。 KIKKL1L23色散系统色散系统分光元件分光元件 作用：分光作用：分光 4投影系统投影系统作用：作用： 将各个波长的单色光分别聚焦于将各个波长的单色光分别聚焦于 O2 焦面焦面 F 的不同的不同位置，实现位置，实现谱线分离谱线分离 KIKKL1L21色散率色散率光谱仪把不同波长的光分散开的能力（定性描述）光谱仪把不同波长的光分散开的能力（定性描述） （1）角色散率）角色散率表示：表示： d/d（棱镜），（棱镜），d/d（光栅）（光栅）物理意义：物理

21、意义：两条波长差为两条波长差为d的光线被分光元件色散的光线被分光元件色散 后分开的角度。后分开的角度。（2）线色散率）线色散率 Dl = d l /d物理意义：物理意义：波长差波长差d的两条谱线在焦面上被分开的距离的两条谱线在焦面上被分开的距离 2分辨率分辨率 R光谱仪的光学系统能够正确分辨紧邻两条谱线的能力。光谱仪的光学系统能够正确分辨紧邻两条谱线的能力。仪器的理论分辨率：仪器的理论分辨率： R两谱线的平均波长；两谱线的平均波长； 恰能分辨两条谱线的波长差恰能分辨两条谱线的波长差RRR值越大，分辨能力越强，一般光谱仪的分辨率在值越大，分辨能力越强，一般光谱仪的分辨率在5000 60000之间

22、。之间。例：光谱仪在例：光谱仪在300.0nm附近的附近的R是是50000，波长差为多少的谱，波长差为多少的谱线能分辨？线能分辨？练习 = /R = 300/50000 = 0.006nm 即即0.006 nm 才能分辨才能分辨 R分辨率是光谱仪的一个综合指标，一方面与光谱仪的线色分辨率是光谱仪的一个综合指标，一方面与光谱仪的线色散率有一定关系，另一方面又与线色散率存在本质区别。散率有一定关系，另一方面又与线色散率存在本质区别。如：如：线色散率相同，但分辨率不同线色散率相同，但分辨率不同 3集光本领集光本领 L 定定 义：义：光谱仪的光学系统传递辐射的能力。光谱仪的光学系统传递辐射的能力。定义

23、式：定义式： L = E / B入射于狭缝的光源亮度入射于狭缝的光源亮度B为一个单位时，在焦面上所得到的照度为一个单位时，在焦面上所得到的照度E。一般：一般： 光学元件数光学元件数，L； 物镜焦距物镜焦距，L； 物镜直径物镜直径，L。1棱镜光谱仪的光学系统棱镜光谱仪的光学系统四个部分：照明、准直、色散、投影四个部分：照明、准直、色散、投影 入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f光源光源2棱镜的色散作用棱镜的色散作用棱镜的分光原理：棱镜的分光原理：光的折射定律光的折射定律 n是波长是波长的函数，的函数，科希科希(Cauchy)公式：公式： A,B,C为与棱镜材料有

24、关的常数为与棱镜材料有关的常数 由科希公式可以看出不同波长的由科希公式可以看出不同波长的光在棱镜中的折射率是不同，光在棱镜中的折射率是不同， ，n；，n 偏向角偏向角 , sinsin in i:入射角；入射角；折射角；折射角； n:棱镜材料的折射率棱镜材料的折射率 3棱镜光谱仪的光学特性棱镜光谱仪的光学特性（1）色散率）色散率可见角色散率与折射率可见角色散率与折射率 n 棱镜数目棱镜数目m及棱镜顶角及棱镜顶角 有关。有关。因此，增加角色散率因此，增加角色散率 d /d 的方式有三：的方式有三： 改变棱镜材料，玻璃比石英的折射率大，但玻璃只适于可见光区；改变棱镜材料，玻璃比石英的折射率大，但玻

25、璃只适于可见光区； 增加棱镜顶角，多选增加棱镜顶角，多选 600； 增加棱镜数目，但由于设计及结构上的困难，最多用增加棱镜数目，但由于设计及结构上的困难，最多用2个。个。a. 角色散率角色散率 在最小偏向角时（折射线平行于棱镜底边），可以导出：在最小偏向角时（折射线平行于棱镜底边），可以导出：ddnAnAmdd2sin12sin222ddn : 棱镜材料色散率棱镜材料色散率 m：棱镜数目：棱镜数目 A：棱镜顶角：棱镜顶角 n：棱镜折射率：棱镜折射率 f： 物镜焦距物镜焦距：焦面与主光轴夹角：焦面与主光轴夹角b. 线色散率线色散率 ddlDlddnAnAmfddfddlDl2sin1sin2si

26、n2sin22ddn : 棱镜材料色散率棱镜材料色散率 m：棱镜数目：棱镜数目 A：棱镜顶角：棱镜顶角 n：棱镜折射率：棱镜折射率 f： 物镜焦距物镜焦距：焦面与主光轴夹角：焦面与主光轴夹角ddn 和和n与波长与波长有关，故线色散率有关，故线色散率也与波长有关，一般也与波长有关，一般 ，Dl 。即即相同波长差的谱线在短波区被分开相同波长差的谱线在短波区被分开的距离大，在长波区分开距离小，的距离大，在长波区分开距离小，谱线排布不均匀。谱线排布不均匀。 棱镜光谱常称为非匀排光谱棱镜光谱常称为非匀排光谱（2）分辨率）分辨率 RddnmbR0理m:m:棱镜数目棱镜数目; ;b b0 0: :棱镜底边长

27、棱镜底边长; ;d n /d n /dd: :棱镜材料色散率棱镜材料色散率（3）集光本领）集光本领 L：入射光的辐射通量与经过一系列棱镜透镜后透射光辐射通量之比，即 透射比。2)(sin4fdBEL1光栅的定义与分类光栅的定义与分类狭义定义：狭义定义：平行、等宽、等间隔的多狭缝。平行、等宽、等间隔的多狭缝。广义定义：广义定义：任何装置只要能起到平行、等宽、等间隔任何装置只要能起到平行、等宽、等间隔 的多狭缝的作用，就称作光栅。的多狭缝的作用，就称作光栅。 定义定义 分类分类按形状按形状 按分光形式按分光形式 透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅平面反射平面反射 凹面反射凹面反射平面光栅（宏观表面为

28、平面）平面光栅（宏观表面为平面）凹面光栅（宏观表面为凹面）凹面光栅（宏观表面为凹面） 2光栅光谱仪的光学系统光栅光谱仪的光学系统入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜反射光栅反射光栅物镜物镜出射狭缝出射狭缝f四个部分：照明、准直、色散、投影四个部分：照明、准直、色散、投影 3光栅的分光作用光栅的分光作用 光栅光谱的产生是光栅光谱的产生是多缝干涉和单缝衍射多缝干涉和单缝衍射二者二者联合联合作用作用的结果。多缝干涉决定光谱线的空间位置，单缝的结果。多缝干涉决定光谱线的空间位置，单缝衍射决定各级光谱线的相对强度。衍射决定各级光谱线的相对强度。 A AD DC CB Bd d 1212 从光源发出的平行光束从光

29、源发出的平行光束1和和2分别入射到分别入射到A、D两点时，产生两点时，产生光程差光程差CD ；当光线离开光栅平面时，产生光程差当光线离开光栅平面时，产生光程差AB； 则光束则光束11和和22的总光程差的总光程差: ABCD sindCD sindAB ABCD则则)sin(sin d 根据光的干涉原理，光程差为波长的整数倍时，两束光根据光的干涉原理，光程差为波长的整数倍时，两束光位相相同，并在衍射角位相相同，并在衍射角方向干涉加强，即当方向干涉加强，即当Kd)sin(sin（K= 0，1， 2，)A AD DC CB Bd d 1212A AD DC CB Bd d 112A AD DC CB

30、 Bd d 1212故故光栅公式光栅公式为：为： Kd)sin(sin（K= 0，1， 2，)ABCD)sin(sindKd)sin(sin（K= 0，1， 2，) 若衍射线与入射线位于法线同侧时，则入射超前的衍若衍射线与入射线位于法线同侧时，则入射超前的衍射仍超前，此时射仍超前，此时则则光栅分光的特点：光栅分光的特点： （1）平行复合光以一定角度入射光栅平面时，对于给定的）平行复合光以一定角度入射光栅平面时，对于给定的光谱级次（光谱级次（K00），衍射角随波长的增大而增大，即产生），衍射角随波长的增大而增大，即产生光的色散。光栅分光原理光的色散。光栅分光原理（3）K = 0时，时，= - ，

31、即衍射角等于入射角，且二者分居，即衍射角等于入射角，且二者分居法线两侧，零级光谱无色散。法线两侧，零级光谱无色散。 （K= 0，1， 2，)Kd)sin(sin衍射角与入射角位于法线同侧时衍射角与入射角位于法线同侧时取取+；异侧；异侧取取- -。（2）光栅光谱存在谱级重叠。）光栅光谱存在谱级重叠。在应用光栅摄谱仪时常利用在应用光栅摄谱仪时常利用感光板的光谱灵敏度不同进行谱级分离，也可采用滤光片感光板的光谱灵敏度不同进行谱级分离，也可采用滤光片或或“谱级分离器谱级分离器”进行谱级分离。进行谱级分离。 本教材本教材4光栅光谱仪的光学特性光栅光谱仪的光学特性（1）光栅的色散率）光栅的色散率a. 角色

32、散率：角色散率： 由光栅方程由光栅方程d (sin+ sin)= K对对求导得到，在一定求导得到，在一定条件下，条件下，d、为常数，则为常数，则 cosdKdd从上式可以看出：4cos1 , Dl = Kf /d 光栅光谱仪又被人们称为光栅光谱仪又被人们称为匀排光谱匀排光谱 b. 线色散率线色散率Dl：等于角色散率与物镜焦距的乘积：等于角色散率与物镜焦距的乘积cosdKffddddlDl1Dlf, f Dl;2DlK, K Dl;3Dl1/d, d Dl;c. 倒线色散率倒线色散率D意义：焦面上每意义：焦面上每mm距离内所容纳的波长数，距离内所容纳的波长数，单位单位nm/mm，/mm。（2）光

33、栅的理论分辨率）光栅的理论分辨率 N：光栅总刻划数：光栅总刻划数 KfdKfddldDDlcos1KNR理与棱镜相同，光栅光谱仪的特殊结构，与棱镜相同，光栅光谱仪的特殊结构，=90，sin=1。 故故（3）光栅光谱仪的集光本领）光栅光谱仪的集光本领2)(4fdBEL（4）闪耀光栅）闪耀光栅 也称作也称作强度定向光栅强度定向光栅，特点是在闪耀波长处将集中，特点是在闪耀波长处将集中75 80%的入射光的辐射能，而在此波长的的入射光的辐射能，而在此波长的2/3及及3/2处，光强处，光强下降到下降到40%。 闪耀光栅技术的核心闪耀光栅技术的核心是控制刻痕形状和光栅刻是控制刻痕形状和光栅刻划角，这里的光

34、栅刻划角划角，这里的光栅刻划角是指光栅刻槽的反射面与是指光栅刻槽的反射面与光栅宏观平面的夹角光栅宏观平面的夹角 i ，也，也称作光栅闪耀角，用称作光栅闪耀角，用闪闪表表示。示。 辐射能量最大的波长称为辐射能量最大的波长称为闪耀波长闪耀波长，闪耀波长的大小决，闪耀波长的大小决定于闪耀角，二者之间关系可用下式描述：定于闪耀角，二者之间关系可用下式描述： K闪闪= 2d sin i 一定闪耀波长的闪耀光栅只可在一定波长范围内使用。一定闪耀波长的闪耀光栅只可在一定波长范围内使用。闪耀光栅适用的闪耀光栅适用的最佳波长范围最佳波长范围可由下面经验式估算：可由下面经验式估算： 适用的短波极限适用的短波极限

35、适用的长波极限适用的长波极限B(1)B(1)：一级闪耀波长；：一级闪耀波长；K K：光谱级次：光谱级次例：计算例：计算B(1) = 560nm的光栅的二级光谱最佳适用范围的光栅的二级光谱最佳适用范围nm2245605.021短nm3.3735605.021长例例1. 一光栅光谱仪，装一块一光栅光谱仪，装一块1200条条/mm刻线的光栅，宽度为刻线的光栅，宽度为5.0cm，闪耀角，闪耀角 i=20,计算：计算： 1一级光谱中，该光栅的理论分辨率；一级光谱中，该光栅的理论分辨率； 2一级光谱适用的波长范围；一级光谱适用的波长范围； 3若暗箱物镜焦距为若暗箱物镜焦距为1000mm，求一级光谱的倒线色

36、散率。，求一级光谱的倒线色散率。41065012001KN. 1理RnmKidB0 .570120sin1200102sin2. 26)1(nm0 .3800 .5705 . 115 . 011)1(B短波极限：nm0 .11400 .5705 . 015 . 011)1(B长波极限：mmnmnmkfd/8.010001)(1012001D.36例例2若若为衍射光波长，为衍射光波长，w为光栅总宽度。证明为光栅总宽度。证明Rmax = 2w/.KNR理dwN dKwR Kd)sin(sinsinsinKd)sin(sin)sin(sinwKKwR2sinsindwR2max故故 5中阶梯光栅中阶

37、梯光栅 具有精密刻制的宽平刻痕的特殊衍射光栅，刻槽密度低（8900条/mm）、刻槽深度大（微米级）。它与普通的闪耀平面光栅的区别在于光栅每一阶梯的宽度是其高度的几倍，阶梯之间的距离是欲色散波长的10200倍，闪耀角大。有很高的色散率和良好的集光本领。用中阶梯光栅做色散元件的光谱仪器称为中阶梯光栅光谱仪。具有色散率高、紧凑、造价低等优点。 3. 3. 狭狭缝缝宽度的选择原则宽度的选择原则v定性分析：选择较窄的狭缝宽度定性分析：选择较窄的狭缝宽度提高分辨率，减少其它提高分辨率，减少其它谱线的干扰，提高选择性；谱线的干扰，提高选择性；v定量分析：选择较宽的狭缝宽度定量分析：选择较宽的狭缝宽度增加照亮

38、狭缝的亮度，增加照亮狭缝的亮度，提高分析的灵敏度；提高分析的灵敏度；v应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通过条件优应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通过条件优化确定最佳狭缝宽度。化确定最佳狭缝宽度。v与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少，可采用与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少，可采用较宽的较宽的狭缝。但当背景大时，可适当减小缝宽。狭缝。但当背景大时，可适当减小缝宽。2-3-3 样品池样品池 紫外区：石英池，紫外区：石英池，可见区：玻璃池。可见区：玻璃池。2-3-4 检测器（光信号转换为电信号）检测器（光信号转换为电信号） 1. 1. 光电检测器光电检测器光电管、光电

39、管、光电倍增管光电倍增管、感光板、多道型检测器、感光板、多道型检测器 检测器种类检测器种类 检测器检测器 应用波段应用波段 早期检测器早期检测器 人眼人眼(Vis)，相板及照像胶片相板及照像胶片(UV-Vis) UV-Vis 硒光电池硒光电池（Photovoltaic cell, ,光伏管光伏管） 350-(500)max-750nm 真空光电管真空光电管（Vacuum phototube） 据光敏材料而定据光敏材料而定 光电倍增管光电倍增管（Photomultiplier tube） ibid 光电转换器光电转换器(photo transducer) 硅二极管硅二极管（Silicon dio

40、de） 190-1100nm 光二极管阵列光二极管阵列（Photodiode array, PDA） 多通道转换器多通道转换器(Multichannel transducer) 电荷转移器件电荷转移器件Charge-transfer device, CTD： 电荷注入器件电荷注入器件( (Charge-injection device, CID) ) 电荷耦合器件电荷耦合器件(Charge-coupled device, CCD) 电导检测器电导检测器 电导检测器电导检测器（Photoconductivity）； UVUV- -V Vis 热电偶热电偶（Thermocouple） 辐射热计辐射

41、热计（Bolometer） 热热检测器检测器(Thermal transducer) 热释电热释电（Pyroelectric transducer） IRIR 光电倍增管光电倍增管是精确测量微弱光辐射的一种灵敏的光电转是精确测量微弱光辐射的一种灵敏的光电转换元件，兼具换元件，兼具光电转换光电转换和和信号放大信号放大双重功能双重功能 。光电倍赠管的放大系数可按下式计算：光电倍赠管的放大系数可按下式计算：M = ndn可通过调节光敏阴极与阳极间电压控制，为可通过调节光敏阴极与阳极间电压控制，为25个；个；d为为911个，取个，取d = 10。则。则M = 210 510 = 1024 107 10

42、3 1072-3-5 读出装置读出装置2-4 光分析法的应用光分析法的应用 1定性分析定性分析2定量分析定量分析3生命科学研究生命科学研究 美国科学家提出、于美国科学家提出、于1 1990990年年1010月正式启动，旨在月正式启动，旨在通过国际间的合作，用通过国际间的合作，用1515年年时间构建详细的人类基因组时间构建详细的人类基因组遗传图和物理图，确定人类遗传图和物理图，确定人类脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)(DNA)的全部的全部序列，定位约序列，定位约1010万个基因，万个基因，并对这些基因进行鉴定识别并对这些基因进行鉴定识别和分离破译。和分离破译。 目的：破解人类遗传和目的：破解人类遗传和生老病死之谜，解决人类健生老病死之谜，解决人类健康问题。康问题。人类基因组计划人类基因组计划(Human Genome Project, HGP) 19531953年，美国人沃森年，美国人沃森( (右，拍摄于右，拍摄于20072007年年5 5月月3131日日) )和英和英国人克里克国人克里克( (资料照片资料照片) )通过实验提出了通过实验提出了DNA(DNA(