第2章光谱分析法导论解析

1、第 2 章光谱分析法导论2.1 内容提要2.1.1 根本概念光分析法一以物质的光学性质为根底建立的分析方法 ，称为光学分析法 ，简称 光分 析法。光谱分析法一以测量光与物质相互作用 ， 引起原子、分子内部量子 化能级之 间跃 迁产生的发射、吸收、散射等波长与强度的变化关系为基础的光分析法 ，称为 光谱分析法。非光谱分析法一利用光与物质作用时所产生的折射、干预、衍射和 偏振等基 本性质的变化来到达分析测定目的的光分析法 ， 主要有折射法、干预法、衍射法、 旋光 法和圆二色性法等。光发射一受激粒子由高能态跃迁回到低能态 ( 包括基态时 ，以光辐射形式释放 多于 能量的现象。光吸收一当光与物质接触时

2、 ，某些频率的光被选择性的吸收并使其 强度减弱， 这 种现象被称为物质对光的吸收。光散射一光通过不均匀介质时 ，如果有一局部光沿着其他方向传播 ，这种现象 称为 光的散射。光折射一当光从一种透明介质进入另一种透明介质时 ，光束的前进 方向发生 改变 的现象 ，称为光的折射。光衍射一光波绕过障碍物而弯曲向后传播的现象 ，称为光的衍射。光偏振一 天然光 通过某些物质后 ，变为只在一个固定方向有振动的光 ，称为平面偏振光 ，这种 现象称为 偏振。光的旋光色散一平面偏振光进入旋光活性物质时 ， 使得构成偏振光 的左、右 两圆 偏振光的传播速度变得不一样 ， 这种现象称为旋光色散。 光的圆二色性一偏 振

3、光与物质 相互作用后 ， 由于对左、右圆偏振光 的吸收情况不同导致两圆偏振光的 振幅和能量也不 相同 ，并形成一个沿 着椭圆运动的椭圆偏振光 ，这种现象称为圆二色 性。光的波粒二象性一指光既有波动性又有粒子性。吸收光谱一物质的粒子吸收某特定的光子后 ，由低能级跃迁到较高 能级 ，当把 物 质对光的吸收情况按照波长的次序排列记录下来 ， 就得到吸收光谱。发射光谱一吸收了能量 光能、热能、电能或其他能量的粒 子， 由高能级跃迁 到 底能级时 ，如果以光辐射形式释放出多余的能量 ，当把光的辐射按波长次序排列记 录下 来，就得到发射光谱。分子光谱 带状光谱一处于气态或溶液中的 分子，当发生能级跃 迁时

4、,所发射 或 吸收的是一定频率范围的电磁辐射组成的带状光谱 ， 称为分子光谱。原子光谱 线状光谱一气态原子发生能级跃迁时 ，能发射或吸收一定频率 波 长 的电磁辐射 ， 经过光谱仪所得到的一条条分立的线状光谱 ，称为原子光谱。固体光谱一炽热的固体物质及复杂分子受激后 ， 发射出波长范围相当广阔的 连续光 谱，称为固体光谱。连续光谱一有连续分布的波长的 光组成的光谱 ，称为连续光谱。转动光谱一 反映 分子纯转动能级跃迁引起的转动能量的变化的这部 分光谱称为转动光谱。振动光谱一反映分子纯振动能级跃迁引起的振动能量的变化的这部 分光谱称 为振 动光谱。分光谱称电子光谱一反映分子纯电子能级跃迁引起的电

5、子能量的变化的这部为电子光谱。复合光一包含多种频率 或波长成分的光 ，称为复合光。单色光一含有一种频率 或波长成分的光 ,称为单色光。色散一物质对光的折射率随着光的频率的变化而变化 ， 这种现象称 为色散。分光一利用色散现象可以将波长范围很宽的复合光分散开来 ， 成为许多波长范 围狭小的单色光这种作用称为分光。2.1.2 根本内容1. 光的根本性质及电磁波谱的分类光是一种电磁辐射 或电磁波 ，具有波粒二象性。电磁辐射按照波 长的长短排 列 起来，称为电磁波谱 ,根据其波长 及能量的不同 ，可以分为几个不同的辐射类型或 波 谱区。2. 光的能量、频率、波长和波数之间的关系光的波动性可用光的波长

6、入或波数c和频率v来描述；光的粒子性可用光量子简 称光子 的能量E来描述。它们之间的关系遵循下式：E =hv =hc /入=hc C式中,c为光速在真空中c =3 K08m s -1 ; h为普朗克常数6.63 W-34J s? 。式左端表达了光的粒子性 ，右端表达了光的波动性 ，它把光的波粒二象性 联 系和统一起来 ,并由此看出 ：不同波长的光 辐射具有不同的能量 ，波长越 长频率、 波数越低 ，能量越低 ;反之，波长越短 ，能量越高。3. 光与物质间的相互作用光与物质相互接触时 ，就会与物质相互作用 ，作用的性质随光的波长 能量即物 质 的性质而异。通常包括 ：(1 光的吸收、发射 ；(2

7、 光的透射、散射和折射 ；(3 光的干预、衍射和偏振。4. 光分析法的分类光分析法以能源与物质相互作用引起原子、分子内部量子化能级之 间跃迁所产生的光吸收、发射、散射等波长与强度的变化关系为根底的光分析法。非光谱法是利用光与物质作用时所产生的折射、干预、衍射和偏振 等根本性质的变化来到达分析测定目的的分析方法。主要有折射法、干 光法和圆二色性法等。涉法、衍射法、旋5. 光谱的产生通常 ,物质的分子处于稳定的基态。当它受到光照或其他能量激发时，将根据分 子所吸收能量的大小 ， 引起分子转动、振动或电子能级的跃迁 ,同时伴随着光子的吸 收或发 射，当物质的粒子吸收或放出某特定 的光子后 ,发生能级

8、之间 的跃迁，如果把 物质对光 的吸收或发射情况按 照波长的次序排列记录下来 ，就得到了光谱。按照产生光谱的物质类型的不同 ，可以分为原子光谱、分子光谱、固体光谱 ；按 照 产生光谱的方式不同 ，可以分为发射光谱、 吸收光谱和散射光谱 ；按照光的性质和 形状 ， 又可分为线光谱、带光谱和连续光谱。 6.光谱分析仪器的组成信号发生系统 ，色散系统 ,检测系统 ，信息处理系统。信号发生系统 ： 包括光源和样品容器。光源有连续光源和线光源等。一般连续光源主要用于分子吸收光谱法 ， 线光源用于原子荧光、原子吸收和拉曼光谱法。色散系统 :其作用是将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。一般色散系统由棱镜

9、或光栅等组成。检测系统 ：一般以光电转换器作为检测器。检测器可分为对光子有响应的光检测器和对热有响应的热检测器。信息处理系统 ：由检测器将光信号转换为电信号后 ，可用检流计、 微安表、 记录 仪、 数字显示器或阴极射线显示器等显示和记录测定结果。2.2 思考题与习题解答1.原子光谱与分子光谱 ， 吸收光谱与发射光谱有什么不同 ？ 答:原子光谱是一条条彼此别离的线光谱。产生原子光谱的是处于稀薄气体状 态的原子 相互之间作用力小 ，由于原子没有振动和转动能级 ,因此原子光谱的产生 主要是电 子能级跃迁所致。分子光谱是一定频率范围的电磁辐射组成的带状光谱。产生分子光 谱的是处 于气 态或溶液中的分子

10、 ， 分子光谱分三个层次 ：转动光谱、振动光谱、电子光谱。当物质受到光辐射作用时 ，物质中的分子或原子以及强磁场中的原子核吸收了 特定 的光子之后 ，由低能态 一般为基态被激发跃迁到高能态 激发态，此时如将吸 收的光 辐射记录下来 ， 得到的就是吸收光谱。按其产生的本质可分为 ：分子吸收光谱 包括紫 外与可见吸收光谱 ， 红外吸收光谱、原子吸收光谱及核磁共振波谱等。吸收了光能处于高能态的分子或原子 ，其寿命很短 ，当它们回到基 态或较低能态 时， 有时以热的形式释放出所吸收的能量 ，由于这种热量很小 ， 一般不易觉察出来 ； 有 时重 新以光辐射形式释放出来 ，由此获得的光谱就是发射光谱。 发

11、射光谱按其产生 的本质 , 通常分为：原子离子发射光谱、分子发射光谱和 X射线发射光谱。发射光谱的特征是在暗背景上有明亮的谱线或谱区 ， 吸收光谱的特征那么是在连 续的 亮背景上有暗线或暗区。2?什么是复合光和单色光 ？ 光谱分析中如何获得单色光 ？答:包含多种频率成分的光 ， 称为复合光只包含一种频率成分的光称为单色光。在光谱分析中 ，广泛利用棱镜 ( 折射现象及光栅 (衍射和干预现象 来获得单色 光。3. 光谱分析法是如何分类的 ？答:光谱的分类 ：按照产生光谱的物质类型不同 ， 可以分为原子光谱、分子光 谱、 固体光谱 ； 按照产生光谱的方式不同 ，可以分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱按照光的性质和形状 ， 又可分为线光谱、带光谱和连续光谱。光谱法的分类 ：主要有原子光谱法和分子光谱法。原子光谱法有原子发射光谱 法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法及 X 射线荧光光谱法等。分子光谱法有紫外-可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、分子荧光光 谱法及分子磷光光谱法等。4. 如何由光的频率计算光的能量 及波长、波数 ？钾原子共振线 的激发能为 1.62 eV , 试计算该共振线的波长、频率和波数 ？ (1 eV =1.602 10-19J解:因为 E =hv