大学仪器分析教学课件(光谱法仪器与光学仪器)

第三节光谱法仪器与光学器件一、光谱法仪器的基本流程generalprocessofspectrometry二、光谱仪器的基本器件mainpartsofspectrometry第二章

光分析导论

anintroductiontoopticalanalysis

instrumentsforspectro-metryandopticalparts2022/11/11第三节一、光谱法仪器的基本流程第二章

光分析导论a1一、光分析法仪器的基本流程

generalprocessofspectrometry

光谱仪器通常包括五个基本单元：光源；单色器；样品；检测器；显示与数据处理；2022/11/11一、光分析法仪器的基本流程

generalprocess2二、光分析法仪器的基本单元

mainpartsofspectrometry

1.光源依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等；依据光源性质不同，分为：连续光源：在较大波长范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；线光源：提供特定波长的光源，金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、激光等；2022/11/11二、光分析法仪器的基本单元

mainpartsofs32.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的装置。主要部件：（1）进出口狭缝；（2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线；（3）色散元件(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；2022/11/112.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的42022/11/112022/11/105棱镜—根据光的折射现象进行分光棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；

棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；2022/11/11棱镜—根据光的折射现象进行分光棱镜对不同波长的光具有6棱镜的特性与参数（1）色散率

角色散率：用dθ/dλ表示，表示偏向角θ对波长的变化率；

棱镜的顶角α越大或折射率n越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为60度角；

2022/11/11棱镜的特性与参数（1）色散率棱镜的顶角α越大或折射7（2）分辨率

相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：：两条相邻谱线的平均波长；△λ：两条谱线的波长差；b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。所以，棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料；

分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。2022/11/11（2）分辨率相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：：8光栅(p79)

通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等间距的刻痕制成。常用的光栅刻痕密度每毫米为1200条、1800条或2400条；根据工作方式不同分为：透射光栅，反射光栅；光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线强度分布；2022/11/11光栅(p79)通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、9光栅的色散原理光栅公式：d(sinα±sinθ)=Kλα、θ分别为入射角和衍射角；K为光谱级次,K=0,

±1,±2,…整数

d为光栅常数(mm):相邻两刻痕间的距离，即为光栅刻痕密度b（mm-1)的倒数；λ

为衍射光的波长2022/11/11光栅的色散原理光栅公式：d(sinα±sinθ)=Kλα、10光栅公式

d(sinα±sinθ)=Kλdsinα为相邻入射光波Ⅰ与Ⅱ的光程差；dsinθ为相邻衍射光波Ⅰ’与Ⅱ’的光程差；d(sinα±sinθ)为光波ⅠⅠ’与光波ⅡⅡ’的总光程差；加号表示衍射光和入射光在光栅法线的同侧，减号表示它们在光栅法线的异侧；当一束复合光以一定的入射角α照射光栅时，不同波长的单色光在不同衍射角θ的方向发生干涉。

在某一光谱级次中，即当K,α,d一定时，波长愈长的单色光，衍射角愈大。对于给定的光栅，可以通过旋转光栅转台来获得需要的波长范围和光谱级次。2022/11/11光栅公式d(sinα±sinθ)=Kλ在11光栅的参数：

光栅的特性可用色散率和分辨率来表征，当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：

dθ/dλ为衍射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。

当θ很小，且变化不大时，cosθ≈1，光栅的角色散率决定于光栅常数

d

和光谱级数K

，常数，不随波长改变，均排光谱（优于棱镜之处）。角色散率只与色散元件的性能有关；线色散率还与仪器的焦距有关。2022/11/11光栅的参数：光栅的特性可用色散率和分辨率来12光栅的线色散率

f为会聚透镜的焦距。倒线色散率：用dλ/dl表示，dλ/dl

值越大，色散率越小

2022/11/11光栅的线色散率f为会聚透镜的焦距。13光栅的分辨能力

光栅的分辨能力根据Rakleigh准则来确定。

等强度的两条谱线（I，II）中，一条（II）的衍射最大强度落在另一条的第一最小强度上时，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；2022/11/11光栅的分辨能力等强度的两条谱线（I，I14光栅的分辨率R光栅的分辨率R等于光谱级次（K）与光栅刻痕条数（N）的乘积：

光栅越宽、单位刻痕数越多、R越大。如宽度50mm，N=1200条/mm，一级光谱的分辨率：

R=1×50×1200=6×1042022/11/11光栅的分辨率R光栅的分辨率R等于光谱级次（K）15例：用dn/dλ=1.3×10-4nm-1的60°熔凝石英棱镜和刻有2000条·mm-1的光栅来色散Li的460.20nm和460.30nm两条谱线。试计算（1）分辨率；(2)棱镜和光栅的大小解（1）棱镜和光栅的分辨率2022/11/11例：用dn/dλ=1.3×10-4nm-1的60°熔凝石英棱16（2）棱镜的大小，即底边长算出光栅的总刻痕数N，对于一级光谱光栅的大小，即宽度W为W=Nd=N/2000mm-1=4.6×103/2000mm-1=0.23cm2022/11/11（2）棱镜的大小，即底边长2022/11/1017狭缝

单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光源的作用。复合光经色散元件分开后，在出口曲面上形成相当于每条光谱线的像，即光谱。转动色散元件可使不同波长的光谱线依次通过。

2022/11/11狭缝单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光18分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也取决于成像的大小，因此希望采用较窄的进口狭缝。分辨率用来衡量单色器能分开最小波长间隔的能力；最小间隔的大小用有效带宽表示：

S=DWD为倒线色散率；W为狭缝宽度；

在原子发射光谱分析中，

定性分析时，减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高；

定量分析时，增大狭缝宽度，可得到较大的谱线强度。狭缝两边的边缘应锐利且位于同一平面上；2022/11/11分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也193.试样装置

光源与试样相互作用的场所（1）吸收池紫外，荧光分析法：石英比色皿可见分光光度法：玻璃比色皿红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片（2）特殊装置原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离子态→原子；原子发射光谱分析：试样喷入火焰；详细内容在相关章节中介绍。2022/11/113.试样装置光源与试样相互作用的场所2022/1204.检测器（1）光检测器主要有以下几种：硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器；（2）热检测器主要有：真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种；热释电检测器：5.信号、与数据处理系统

现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；2022/11/114.检测器（1）光检测器2022/11/1021内容选择：第一节光分析基础fundamentalofopticalanalysis第二节原子光谱与分子光谱atomspectrumandmolecularspectrum第三节光谱法仪器与光学器件instrumentsforspectrometryandopticalparts结束2022/11/11内容选择：第一节光分析基础结束2022/11/1022第三节光谱法仪器与光学器件一、光谱法仪器的基本流程generalprocessofspectrometry二、光谱仪器的基本器件mainpartsofspectrometry第二章

光分析导论

anintroductiontoopticalanalysis

instrumentsforspectro-metryandopticalparts2022/11/11第三节一、光谱法仪器的基本流程第二章

光分析导论a23一、光分析法仪器的基本流程

generalprocessofspectrometry

光谱仪器通常包括五个基本单元：光源；单色器；样品；检测器；显示与数据处理；2022/11/11一、光分析法仪器的基本流程

generalprocess24二、光分析法仪器的基本单元

mainpartsofspectrometry

1.光源依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等；依据光源性质不同，分为：连续光源：在较大波长范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；线光源：提供特定波长的光源，金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、激光等；2022/11/11二、光分析法仪器的基本单元

mainpartsofs252.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的装置。主要部件：（1）进出口狭缝；（2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线；（3）色散元件(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；2022/11/112.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的262022/11/112022/11/1027棱镜—根据光的折射现象进行分光棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；

棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；2022/11/11棱镜—根据光的折射现象进行分光棱镜对不同波长的光具有28棱镜的特性与参数（1）色散率

角色散率：用dθ/dλ表示，表示偏向角θ对波长的变化率；

棱镜的顶角α越大或折射率n越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为60度角；

2022/11/11棱镜的特性与参数（1）色散率棱镜的顶角α越大或折射29（2）分辨率

相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：：两条相邻谱线的平均波长；△λ：两条谱线的波长差；b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。所以，棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料；

分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。2022/11/11（2）分辨率相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：：30光栅(p79)

通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等间距的刻痕制成。常用的光栅刻痕密度每毫米为1200条、1800条或2400条；根据工作方式不同分为：透射光栅，反射光栅；光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线强度分布；2022/11/11光栅(p79)通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、31光栅的色散原理光栅公式：d(sinα±sinθ)=Kλα、θ分别为入射角和衍射角；K为光谱级次,K=0,

±1,±2,…整数

d为光栅常数(mm):相邻两刻痕间的距离，即为光栅刻痕密度b（mm-1)的倒数；λ

为衍射光的波长2022/11/11光栅的色散原理光栅公式：d(sinα±sinθ)=Kλα、32光栅公式

d(sinα±sinθ)=Kλdsinα为相邻入射光波Ⅰ与Ⅱ的光程差；dsinθ为相邻衍射光波Ⅰ’与Ⅱ’的光程差；d(sinα±sinθ)为光波ⅠⅠ’与光波ⅡⅡ’的总光程差；加号表示衍射光和入射光在光栅法线的同侧，减号表示它们在光栅法线的异侧；当一束复合光以一定的入射角α照射光栅时，不同波长的单色光在不同衍射角θ的方向发生干涉。

在某一光谱级次中，即当K,α,d一定时，波长愈长的单色光，衍射角愈大。对于给定的光栅，可以通过旋转光栅转台来获得需要的波长范围和光谱级次。2022/11/11光栅公式d(sinα±sinθ)=Kλ在33光栅的参数：

光栅的特性可用色散率和分辨率来表征，当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：

dθ/dλ为衍射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。

当θ很小，且变化不大时，cosθ≈1，光栅的角色散率决定于光栅常数

d

和光谱级数K

，常数，不随波长改变，均排光谱（优于棱镜之处）。角色散率只与色散元件的性能有关；线色散率还与仪器的焦距有关。2022/11/11光栅的参数：光栅的特性可用色散率和分辨率来34光栅的线色散率

f为会聚透镜的焦距。倒线色散率：用dλ/dl表示，dλ/dl

值越大，色散率越小

2022/11/11光栅的线色散率f为会聚透镜的焦距。35光栅的分辨能力

光栅的分辨能力根据Rakleigh准则来确定。

等强度的两条谱线（I，II）中，一条（II）的衍射最大强度落在另一条的第一最小强度上时，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；2022/11/11光栅的分辨能力等强度的两条谱线（I，I36光栅的分辨率R光栅的分辨率R等于光谱级次（K）与光栅刻痕条数（N）的乘积：

光栅越宽、单位刻痕数越多、R越大。如宽度50mm，N=1200条/mm，一级光谱的分辨率：

R=1×50×1200=6×1042022/11/11光栅的分辨率R光栅的分辨率R等于光谱级次（K）37例：用dn/dλ=1.3×10-4nm-1的60°熔凝石英棱镜和刻有2000条·mm-1的光栅来色散Li的460.20nm和460.30nm两条谱线。试计算（1）分辨率；(2)棱镜和光栅的大小解（1）棱镜和光栅的分辨率2022/11/11例：用dn/dλ=1.3×10-4nm-1的60°熔凝石英棱38（2）棱镜的大小，即底边长算出光栅的总刻痕数N，对于一级光谱光栅的大小，即宽度W为W=Nd=N/2000mm-1=4.6×103/2000mm-1=0.23cm2022/11/11（2）棱镜的大小，即底边长2022/11/1039狭缝

单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光源的作用。复合光经色散元件分开后，在出口曲面上形成相当于每条光谱线的像，即光谱。转动色散元件可使不同波长的光谱线依次通过。

2022/11/11狭缝单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光40分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也取决于成像的大小，因此希望采用较窄的进口狭缝。分辨率用来衡量单色器能分开最小波长间隔的能力；最小间隔的大小用有效带宽表示：

S=