第二章光谱分析法概论

1、包括无线电波、微波、红外光、可见包括无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、光、紫外光、X X射线、射线、射线等。射线等。狭义的光：狭义的光： 可见光。电磁波中的一小部分。可见光。电磁波中的一小部分。广义的光：广义的光： 所有已知的电磁波（辐射）所有已知的电磁波（辐射）电磁辐射电磁辐射电磁辐射具有波粒二象性电磁辐射具有波粒二象性电磁辐射电磁辐射是一种以是一种以电磁波电磁波的形式的形式在空间高速传播的在空间高速传播的粒子流粒子流。电磁辐射的波粒二象性电磁辐射的波粒二象性波动性：波动性：电磁辐射是单频率的正弦波电磁辐射是单频率的正弦波 光的折射、干涉、衍射偏振等现象光的折射、干涉、衍射偏振等现象用

2、波长（用波长（）、频率（）、频率（v）、波数（）、波数（）描述）描述cc1粒子性粒子性：电磁辐射是电磁辐射是不连续的能量微粒不连续的能量微粒光子光子光电效应光电效应电磁辐射的波粒二象性电磁辐射的波粒二象性电磁波谱电磁波谱按波长（频率、波数、能量）大小顺序排列按波长（频率、波数、能量）大小顺序排列电磁波谱与能级跃迁电磁波谱与能级跃迁第二章第二章 光学分析法概论光学分析法概论 能源提供能量能源提供能量 能量与被测物质相互作用能量与被测物质相互作用 产生可检测信号产生可检测信号 建立在物质发射的电磁辐射或它与电磁建立在物质发射的电磁辐射或它与电磁辐射相互作用基础上的各种分析方法全称。辐射相互作用基础

3、上的各种分析方法全称。 光学分析法光学分析法 光学分析法包含三个过程：光学分析法包含三个过程：主要内容主要内容一一电磁辐射及其与物质的相互作用电磁辐射及其与物质的相互作用二二光学分析法分类光学分析法分类三三光谱分析仪器光谱分析仪器四四光谱分析法的发展概况光谱分析法的发展概况一、电磁辐射与物质的相互作用一、电磁辐射与物质的相互作用电磁辐射照射物质时，电磁辐射照射物质时，其传播方向、速度等物其传播方向、速度等物理性质发生改变。理性质发生改变。电磁辐射照射物质时，电磁辐射照射物质时，发生能量转移，使物发生能量转移，使物质内部有相应的能级质内部有相应的能级跃迁跃迁一、电磁辐射与物质的相互作用一、电磁辐

4、射与物质的相互作用折射、反射、透射折射、反射、透射1、 入射电磁辐射能量与介质基态入射电磁辐射能量与介质基态/激发激发 态态间的能量差间的能量差不相等不相等物理性质发生改变物理性质发生改变干涉干涉衍射衍射一、电磁辐射与物质的相互作用一、电磁辐射与物质的相互作用散射：散射：光子与介质发生弹性碰撞改变方向光子与介质发生弹性碰撞改变方向丁达尔散射丁达尔散射(Tyndall)：被照射试样粒子直径等于被照射试样粒子直径等于或大于入射光波长，如胶体。或大于入射光波长，如胶体。一、电磁辐射与物质的相互作用一、电磁辐射与物质的相互作用散射：散射：光子与介质发生弹性碰撞改变方向光子与介质发生弹性碰撞改变方向瑞利

5、散射瑞利散射(Rayleigh)：被照射试样粒子直径短被照射试样粒子直径短于入射光波长。于入射光波长。拉曼散射拉曼散射(Raman)：非弹性碰撞，方向及波长均改变非弹性碰撞，方向及波长均改变样 品 池透过光透过光不变不变瑞利散射瑞利散射不变拉曼散射拉曼散射变变一、电磁辐射与物质的相互作用一、电磁辐射与物质的相互作用散射：散射：光子与介质发生弹性碰撞改变方向光子与介质发生弹性碰撞改变方向一、电磁辐射与物质的相互作用一、电磁辐射与物质的相互作用1、 入射电磁辐射能量与介质基态入射电磁辐射能量与介质基态/激发激发 态态间的能量差间的能量差相等相等吸收和发射吸收和发射物质内部有相应的能级跃迁物质内部有

6、相应的能级跃迁二、光学分析法的分类二、光学分析法的分类 光光学学分分析析法法物质内部发生量子化能级跃迁物质内部发生量子化能级跃迁而产生辐射随波长变化而产生辐射随波长变化（一）光谱法与非光谱法（一）光谱法与非光谱法折折射射法法圆圆二二色色性性法法衍衍射射法法干干涉涉法法旋旋光光法法偏偏振振法法光光散散射射法法非光谱分析法非光谱分析法粉末粉末X射线衍射仪射线衍射仪（一）光谱法与非光谱法（一）光谱法与非光谱法光谱法：光谱法：分析物质与辐射能作用时物质内部能级分析物质与辐射能作用时物质内部能级跃迁而产生的辐射变化跃迁而产生的辐射变化光谱特征定性光谱强度定量按外形按外形 线光谱、带光谱、连续光谱线光谱、

7、带光谱、连续光谱按能量的能量传递方式按能量的能量传递方式 吸收、发射、散射等吸收、发射、散射等按能量大小按能量大小 、X、紫外、可见、红外、微波、紫外、可见、红外、微波、 电子自旋共振、核自旋共振电子自旋共振、核自旋共振(无线电波无线电波)按物质对象按物质对象 原子光谱、分子光谱原子光谱、分子光谱（二）原子光谱法与分子光谱法（二）原子光谱法与分子光谱法1s2s2p原子能级原子能级分子能级分子能级分子的电子能级分子的电子能级分子振动分子振动分子转动分子转动原子能级和分子能级原子能级和分子能级能量能量电子基态E0电子激发态E1J0J1J2J3J4分子能级分布示意图分子能级分布示意图（二）原子光谱法

8、与分子光谱法（二）原子光谱法与分子光谱法原子光谱法：原子光谱法：涉及原子核外电子能级间跃迁涉及原子核外电子能级间跃迁特点：特点：线状光谱；线状光谱； 确定元素组成与含量确定元素组成与含量方法举例：方法举例： AES、 AAS、 AFS 、 XFS（二）原子光谱法与分子光谱法（二）原子光谱法与分子光谱法分子光谱法：分子光谱法： 涉及分子中电子能级、振动和转动能级变化涉及分子中电子能级、振动和转动能级变化特点：特点：带状光谱；给出分子结构信息。带状光谱；给出分子结构信息。方法举例：方法举例： UV-Vis、IR MFS、MPS（二）原子光谱法与分子光谱法（二）原子光谱法与分子光谱法吸收光谱法：吸收

9、光谱法： 粒子吸收能量，由低能态或基态跃迁至较粒子吸收能量，由低能态或基态跃迁至较高的能态（激发态），得到光谱高的能态（激发态），得到光谱（三）吸收光谱法与发射光谱法（三）吸收光谱法与发射光谱法E方法举例：方法举例： UV-Vis、IR AAS、NMRM + h M* 发射光谱法：发射光谱法： 物质受激，由激发态回到基态时以辐射的物质受激，由激发态回到基态时以辐射的方式释放能量，产生光谱方式释放能量，产生光谱M* M + h （三）吸收光谱法与发射光谱法（三）吸收光谱法与发射光谱法方法举例：方法举例：X X射线荧光分析法、原子发射光谱分析法射线荧光分析法、原子发射光谱分析法原子荧光分析法、分子

10、荧光分析法原子荧光分析法、分子荧光分析法分子磷光分析法、分子磷光分析法、 化学发光分析法化学发光分析法三、光谱分析仪器三、光谱分析仪器光谱仪：光谱仪：研究吸收、发射的电磁辐射强度和波长关系的仪器研究吸收、发射的电磁辐射强度和波长关系的仪器信号处理器或读出装置信号处理器或读出装置光谱分析仪器基本组成光谱分析仪器基本组成原子发射光谱仪原子发射光谱仪吸收光谱仪吸收光谱仪荧光光谱仪荧光光谱仪H2灯灯 紫外光源紫外光源 D2灯灯 160-375nm W 灯灯 320-2500nm 可见光源可见光源 氙灯氙灯 250-700nm Nernst 灯灯 连续光连续光源源 红外光源红外光源 硅碳棒硅碳棒 600

11、0-5000cm-1之之间有最大强度间有最大强度 Hg 灯灯 254-734nm 金属蒸汽灯金属蒸汽灯 Na 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 高强度空心阴极高强度空心阴极灯灯 也称元素灯也称元素灯 红宝石激光器红宝石激光器 693.4nm He-Ne 激光器激光器 632.8nm 激光激光* Ar 离子激光器离子激光器 515.4nm， 488.0nm 直流电弧直流电弧 交流电弧交流电弧 火花火花 线光源线光源 发射光谱光发射光谱光源源 ICP 电能电能 要求：要求：强度大强度大(分析灵敏度高分析灵敏度高)、稳定、稳定(分析重现性好分析重现性

12、好)单色器单色器将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。入射狭缝、出射狭缝、准直镜入射狭缝、出射狭缝、准直镜、色散元件等组成、色散元件等组成单色器单色器n 棱镜棱镜依据光的折射现象进行分光；玻璃或石英制成依据光的折射现象进行分光；玻璃或石英制成单色器单色器n 光栅光栅利用多狭缝干涉和单狭缝衍射联合作用分光利用多狭缝干涉和单狭缝衍射联合作用分光 d d900450300700350233500250167300150一级一级二级二级三级三级投射光投射光光栅光栅平面反射光栅平面反射光栅反射光栅反射光栅通过干涉现象，得到明暗相间的干涉条纹通过干涉现象，得到明暗

13、相间的干涉条纹n 干涉仪干涉仪单色器单色器v石英或熔融石英：紫外光石英或熔融石英：紫外光可见光可见光3 m；v 玻璃：可见光区（玻璃：可见光区（350-2000nm）；）；v 透明塑料：可见光区（透明塑料：可见光区（350-2000nm）；）；v 盐窗（盐窗（NaCl, NaBr晶体）：红外光区。晶体）：红外光区。 样品池样品池 除发射光谱外，其它所有光谱分析都需要吸除发射光谱外，其它所有光谱分析都需要吸收池。盛放试样的吸收池由光透明材料制成。收池。盛放试样的吸收池由光透明材料制成。 热检测器热检测器: 真空热电偶、热辐射计、真空热电偶、热辐射计、 热释电检测器等热释电检测器等检测器检测器 硒光电池、光电管、硒光电池、光电管、 光电倍增管、半导体等光电倍增管、半导体等 由检测器将光信号转换成电信号后进由检测器将光信号转换成电信号后进行显示和记录结果行显示和记录结果读出装置读出装置 检流计检流计 记录仪记录仪 数字显示器数字显示器 计算机计算机