光谱基本知识总结课件

1、中南民族大学仪器分析Instrumental Analysis光谱基本知识部分Basic knowledge related to spectroscopy中南民族大学仪器分析Instrumental Anal光分析的基本原理basic principles光分析是以光为媒介进行的一种仪器分析方法(light as media)光作为入射源(light as source)光作为收集信号(light as signal)光媒介和样品发生了相互作用(interaction between light and sample)反映了物理性质和化学性质(physical and/or chemical

2、 properties observed)光分析的基本原理basic principles光分析是以光 light更广义上，我们用电磁波 electromagnetic wave， 光照 light radiation, 电磁波辐射 electromagnetic radiation (ER)量子力学上：光具有波粒二象性 duality波：波长，波速，频率，波数，能量粒子： 速度，动量，质量，压力等E = h = h c /= h cs光 light更广义上，我们用电磁波 electromagn光谱基本知识总结课件光谱 spectrumX-rayFar UV紫外UV200-400 nm可见Vi

3、sible400-800 nm中红外IR2.5-15mFar IRMWRFBond breakage化学键破裂Electron transition电子跃迁Vibrational Transition振动跃迁RotationalTransition转动跃迁NuclearSpin核自转ElectronSpin电子自转核磁NMR1-5m波长Wavelength l频率Frequency n or 能量energy E光谱 spectrumX-rayFar UV紫外UV可见Vi光和物质的相互作用 Interaction物理作用(physical interaction)反射(reflection)折

4、射(refraction)散射(scattering)衍射(diffraction)干涉(interference)偏振(polarization)化学作用吸收和发射(absorption and emission)光和物质的相互作用 Interaction物理作用(physInteraction根据量子理论，物质受到光照射后能量发生改变：DE = Efinal - Einitial = hn = hc/l 如果能量的变化为正， DE0, 为吸收absorption如果能量的变化为负， DE0, 为发射emission如果能量变化为零，则为反射、折射等纯粹物理现象只要能量发生了变化，这个变化对

5、该物质而言是特征的characteristic.Interaction根据量子理论，物质受到光照射后能量发生Interaction光的强度(intensity)光的强度变化反映了光和物质之间相互作用的本质nature(physical or chemical)光谱(spectroscopy)光的强度随频率或波长变化的曲线intensity vs. frequency or wavelength基态和激发态ground state and excited statesInteraction光的强度(intensity)光分析分类 classification根据光和样品的相互作用来分非光谱法衍射

6、、散射、干涉和偏振等光谱法（涉及到能级跃迁energy level transition）原子光谱（线性光谱）atomic spectroscopy, line-shaped: 吸收、发射、荧光光谱等分子光谱（带状光谱）molecular spectroscopy, band-shaped：红外、紫外、可见光、拉曼、荧光、磷光、核磁共振等光分析分类 classification根据光和样品的相互作光分析法光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁

7、共振波谱法光分析法光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法原光分析的进展(Development)采取新光源，提高灵敏度(new light source for higher sensitivity)联用技术(hybrid techniques)新材料的应用(application of new materials)交叉(multiple analysis one time)检测器的发展(improving detector)光分析的进展(Development)采取新光源，提高灵敏原子光谱和分子光谱Atomic and Molecular Spectroscopy原子光谱和分子光

8、谱Atomic and Molecular 原子光谱(atomic spectroscopy)电子在不连续的能级上排列。这些不连续的能级跟原子本身是密切相关的，也即能级的水平是原子的一个特征。电子收到能量的激发可以在这些能级上发生跃迁。跃迁受到一定的规律的制约，就是选律。不连续的能级是的跃迁造成的光谱是不连续的:谱线。原子光谱(atomic spectroscopy)电子在不连分子光谱(molecular spectroscopy)分子光谱不是线状，而是带状的。为什么？分子光谱(molecular spectroscopy)分子分子中能量的体现(energy)多原子分子单原子的能量=核能+电子

9、的动能多原子分子的能量等于各个原子能量的总和以及各个原子之间排列构象的能量振动转动振动和转动的能级差别比电子跃迁的能量变化要小得多，对应于红外区的能量。振动能级差：0.025-1 eV,跃迁产生5nm间隔的谱线转动能级差：0.005-0.025 eV，跃迁产生1nm间隔的谱线。分子中能量的体现(energy)多原子分子光分析仪器和器件Instruments and elements in Optical Analysis光分析仪器和器件Instruments and elemen光谱仪器(Instrument)光源镜片单色器样品台检测器放大器记录仪光谱仪器(Instrument)光源镜片单色器

10、样品台检测器放光源(radiant source)稳定的光源是必须的不同的光谱需要用到不同的光源连续光源单色光光源Stable source of radiant energyContinuum radiation source e.g., tungsten lamp, used in molecular absorption spectroscopyDiscrete spectroscopic lamps, e.g., lasers, used in AAS, fluorescence and Raman光源(radiant source)稳定的光源是必须的Sta单色器(monochroma

11、tor)Entrance slitCollimatorDispersing elementFocusing elementExit slit单色器(monochromator)Entrance sli色散元件(dispersing element)Source: WikipediaInterference Filter干涉滤色片Prism: nonlinear dispersion棱镜色散元件(dispersing element)Source光栅(gratings)diffractional gratings衍射光栅The grooves of a compact disc can act

12、as a grating and produce iridescent reflections.光栅(gratings)diffractional grat光谱基本知识总结课件色散元件的比较分光原理色散率与分辨率波段范围集光使用范围棱镜折射低、与波长有关窄，已定弱一般、较老仪器光栅衍射高、与波长无关宽，可定强现代高级仪器色散元件的比较分光原理色散率与分辨率波段范围集光使用范围棱镜检测器(photo detector)光子检测器光子在检测器上产生电信号(Photon detected and converted into electrical signal)光电二极管，光电倍增器(Photoelectric transistor, photoelectric multiplier)热检测器(thermo detector)光被转化为热量而检测(Photo detected and converted into heat, mostly used in IR