第一章 光谱检测技术基础

1、摘要 第一章 光谱检测技术引论 重大物理学院 黄映洲 2011-09-07 1. 关于光本性的认识过程 2光的性质及常用单位 3. 光谱检测技术基本原理 4. 光谱检测仪器的基本结构 1. 关于光本性的认识过程 （上帝论） 神说，要有光，于 是就有了光 圣经-创世纪 （原始原子论） 土 公元前6至5世 纪的古印度 水 火 火 空气 光 公元前55年，古希腊学者关于宇宙的本质 太阳的光和热都是由微小原子组成，发射后将没有 损耗地穿过空气介质背离光源前进 （物理学理论 ） 勒内笛卡儿（1596 1650，法国哲学家、数 五行相生相剋的原理 相 生 相 剋 木生火：木燃燒可以產生火 火生土：火燃燒完

2、木頭後，產 生灰燼化為塵土 土生金：從土裡面可以挖掘出 金子 金生水：金子融化後變成液狀 水生木：水可以滋養樹木，讓 樹木長的更好 金剋木：金屬的斧頭可以砍倒 樹木 木剋土：樹木吸取土裡的養 分，使土變貧脊 土剋水：土可以阻擋水，或改 變水的流向 水剋火：水可以滅火 火剋金：火可以融化金屬 学家、物理学家）认为光 是发光物的一种机械属 性。 他明确坚持光仅是发 光体和传播介质的机械 波性质，而因此使他的 理论被视作现代物理光 学的起点。 “我思故我在”（Cogito ergo sum） 1 （粒子理论） （波动理论） 惠更斯，1690年发表在他的光的专著 里光线在一个名为发光以太的介质中以波

3、的形式四射，并且由于波并不受重力影响 英格兰物理学家、数学 家、天文学家、自然哲 学家和炼金术士。 牛顿在1704年发表了他集大成的光学一作，认 为光是由光源向四面八方发射的微粒组成 。 1800年托马斯杨发现的干 涉现象以及光的偏振性 菲涅耳于 1817年独立 完成了他的波 动理论的建 立，很好的解 释了光的衍射 （电磁理论） 法拉第，1845年，发现当偏振光穿 过施加了磁场的透明介质时，会发 生偏振旋转。这后来被称为法拉第 效应，它首次发现了光和电磁的关 系。 麦克斯韦发 现自生电磁 波会以恒定 速度传播， 而且这个速 度恰好等于 光速 （光子理论，波粒二象性） 爱因斯坦， 1905年，

4、运用光子的概念解释 了光电效应（赫兹发 现的） 光是特定频率的电磁波，它既具有粒子 特性，又具有波的特性 电磁辐射（电磁波） 大气层的电磁辐射（电磁波）不透明度 光，指通常可见光（380nm-740nm） 2 2. 光（电磁波）的性质及常用单位 光是特定频率的电磁波，它既具有粒子特 性，又具有波的特性。 衍 反 光 散 折 干 射 衍:满足一定条件大量波的叠加 反:满足几何条件的直进 散: 光(量子与发出散射光物质间能量 与动量的交换 折:满足斯涅尔定律的直进 干涉:满足一定条件几个波的叠加 2.1 光的波动性 光是特定频率的电磁波，电磁波可用 正弦（或余弦）波描述(波长、频率、速 度、振幅。

5、与其它波（声波）不同，电磁 波不需传播介质，可在真空中以恒定速度 （光速c）传播。 在一个完整电磁波中相同位相两点间的距离称该波的 波长，一般用 表示，波长的长度单位可以用 埃 （ angstrom ， ） , 纳 米 （ nanometer, nm ） , 微 米 （millimicron, m）和 厘米（centermiter, cm）。这 些长度单位之间的换算关系为； & 1 A = 1 0 8 cm = 1 0 4 m = 1 0 1 nm 上图所示了一束沿Z方向传播的偏振电磁波，它是由两个互 相垂直的电矢量 E（沿X方向）和磁矢量 H（沿Y方向）组 成。 按照经典的电磁理论，电磁波的

6、的电场可以写成： (12 每秒钟经过一个整波长的数目称为频率，用 来表示， v = c/ (13 E = E0 cos 2 t (1-1 其中E 是任意时刻t 的电场强度，E0 和 分别是这电磁波 的振幅与频率。 此式中的 c 是光速（3 x 10 10 厘米/秒）。 如果 波长 是以厘米为单位的话，那频率的单位就是(厘米/秒(厘 米 = 1/秒， 秒的倒数单位也称为“赫兹”（Hz）。 再给出另一个参数，在振动光谱学中所常用的被称为“波 数”的量。其 定义为： (14 % v = v/c 和 v 之间的差别是很明显的。它有（1/秒）/(厘米/秒 % =1/厘米 的量纲，将（1-3）式代入（1-

7、4）式，我们就 有； 2.2 光的粒子性 电磁波还具有微粒性，表现为电磁波的能量不是均匀连 续分布在它传播的空间，而是集中在辐射产生的微粒上。 （Photon） 因此，电磁辐射不仅具有广泛的波长（或频率、能量） 分布，而且由于电磁辐射波长和频率的不同而具有不同的能 量和动量，通常用eV表示电磁辐射的能量，1 eV为一个电子 通过1V电压降时所具有的能量。 % v = v / c = 1/ (cm 1 (15 这样的话，一个波长为 4000 nm 的光，它的波数相当于 25 x 10 3 cm-1, 因为 % = 1 1 = = 25 x103 (cm 1 (cm 4 x103 x108 (16

8、 “波数 ”和 “频率 ”是两个不同的参量，然而这两个参量也 经常被交替使用， 如习惯用“吸收在30个厘米波数”这样的 表达方法来表示红外光谱中的某个吸收峰，用“频移在30个 厘米波数”的表达方法来表示拉曼光谱中的某个散射峰。 E = h = hc p= h h = c 3 2.3 光谱学的常用单位换算 E = hv v = c/ % v = v / c = 1/ h p= c 3. 光谱检测技术基本原理 3.1 光与物质的作用多种现象 布拉格散射 拉曼散射 瑞利散射 折射 布里渊散射 衍射 物质 入射光 吸收 干涉 康普顿散射 反射 发光 荧光 % E = hv = hc / = hcv 对

9、光谱学单位（波长nm，波数cm-1，能量eV）之间换算 关系： E (eV1.24/ (微米） 波长为10 微米的波等于 1000 波数（cm-1的波 % E (eV = v (cm-1 /8100 利用物质对光（电磁辐射）的选择性吸收 （发射）的特性,通过检测光的波长和强 度来对物质结构进行定性和定量的分析方 法，通称光谱学法。 检测与物质作用后的光谱变化，可以得 到物质结构的信息。 光谱分析方法涉及物质结构不同能级 之间的跃迁，这种跃迁可以是吸收辐射的 跃迁，也可以是发射辐射的跃迁。 4 基本上处于紫外、可见和红外光区,因此, 分子主要发射紫外、可见电磁辐射,据此建立了荧光光谱法、磷光光谱

10、 4.3. 波长选择系统样品的介质条件:原子光谱:对样品的介质条件要求不高,基本上只要能保证有效进样和有效原子化,同时不损害进样和原子化系统就可。紫外-可见吸收光谱、分子荧光光谱、分子磷光理论上,光谱分析所检测的信号,不管是吸收信号、发射信号或散射信号,都应该是单一波长光的信号。实际上单一波长光是相对的一个概念,即从波长选择系统输出的信号不可能是真正意义上的单色光,而是具有极小带宽的连续光。典型的单色器主要由五个部分组成:;2.准直装置,功能是使光束成平行光线传色散装置,即棱镜或光栅;4.聚焦透镜或凹面反射出射狭缝。单色器不同波长的折射率不同棱镜内光线与棱镜顶角成等腰三角形。光栅分为透射光栅和反射光栅。近代光谱仪主要采用反射光栅作为色散元件,典型的反射光栅是平面光栅色散作用的