光谱分析法引论

光谱分析法引论第一页，共二十七页，2022年，8月28日一、光分析法及其特点

opticalanalysisanditscharacteristics

光分析法：基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法；电磁辐射范围：射线~无线电波所有范围；

相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可区代的地位；第二页，共二十七页，2022年，8月28日三个基本过程：（1）能源提供能量；（2）能量与被测物之间的相互作用；（3）产生信号。

基本特点：（1）所有光分析法均包含三个基本过程；（2）选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；（3）涉及大量光学元器件。第三页，共二十七页，2022年，8月28日二、电磁辐射的基本性质电磁辐射（电磁波）：一种高速度通过空间传播的光量子流,它具有波粒二象性。2.1电磁辐射波动性波长（λ）：表示相邻两个光波各相应点间的直线距离（或相应两个波峰或波谷间的直线距离）。

波数（σ）：指在单位长度内波的数目。

频率（γ）：指在1秒时间内经过某点的波数（即每秒内振动的次数）。c=λν=ν/σσ=104/λ(μm)c：光速；λ：波长；ν：频率:赫兹；σ：波数cm-1；λ：波长：nmμm第四页，共二十七页，2022年，8月28日电磁波的波动性质(1)散射

丁铎尔散射（d≥λ入）和分子散射（d≤λ入）；(2)折射和反射

折射是光在两种介质中的传播速度不同；(3)

干涉

干涉现象；（频率相同、振动相同、周相相等或周相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时产生）

(4)衍射

光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；第五页，共二十七页，2022年，8月28日第六页，共二十七页，2022年，8月28日2.2微粒性

E=hν=hc/λ

E：能量；h：普朗克常数

2.3物质的能态

基态：原子或分子的最低能态激发态：较高能态2.4电磁波谱

电磁辐射按波长顺序排列称为电磁波谱。它反映了物质内能量的变化，任一波长光子的能量与物质内的原子或分子的能级变化（ΔE）相对应，它们之间的关系为：第七页，共二十七页，2022年，8月28日ΔE=E1-E2=EL=hν=hc/λ

EL为能量，单位为J或ev，1ev=1.602×10-19Jh为普朗克常数6.626×10-34J.s；ν为频率，单位为Hz,即s-1；c为光速3×1010cm.s-1;λ为波长，单位nmμmσ为波数，单位cm-1。第八页，共二十七页，2022年，8月28日第九页，共二十七页，2022年，8月28日[例]

某电子在两能级间跃迁的能量差为4.969×10-19J，求其波长为多少纳米？其波数为多少？[解]由ΔE=hν=hc/λ

得λ=hc/ΔE=6.626×10-34×3×1010/4.969×10-19=4×10-5cm=400nmσ=1/λ=1/4×10-5cm=25000cm-1第十页，共二十七页，2022年，8月28日三、光分析分类

typeofopticalanalysis第十一页，共二十七页，2022年，8月28日（一）分类：

根据物质同辐射能作用的性质不同，光学分析法基本上可以分为光谱法和非光谱法。

1．光谱法：

利用物质与电磁辐射作用时，物质内部发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射辐射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量分析方法

按能量交换方向分吸收光谱法发射光谱法按作用结果不同分原子光谱→线状光谱分子光谱→带状光谱第十二页，共二十七页，2022年，8月28日2．非光谱法：利用物质与电磁辐射的相互作用测定电磁辐射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性质变化的分析方法分类：折射法、旋光法、比浊法、χ射线衍射法3．光谱法与非光谱法的区别：光谱法：内部能级发生变化原子吸收/发射光谱法：原子外层电子能级跃迁分子吸收/发射光谱法：分子外层电子能级跃迁非光谱法：内部能级不发生变化仅测定电磁辐射性质改变第十三页，共二十七页，2022年，8月28日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折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光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共振波谱法第十四页，共二十七页，2022年，8月28日光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法分子光谱法原子发射原子吸收原子荧光X射线荧光原子吸收紫外可见红外可见核磁共振紫外可见红外可见分子荧光分子磷光核磁共振化学发光原子发射原子荧光分子荧光分子磷光X射线荧光化学发光第十五页，共二十七页，2022年，8月28日主要介绍光谱法。如果按照电磁辐射和物质相互作用的结果，可以产生发射、吸收和散射三种类型的光谱。一、发射光谱法

物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子M*，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。

M*M+hv

通过测量物质的发射光谱的波长和强度来进行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。第十六页，共二十七页，2022年，8月28日发射光谱的类型：1.线光谱

当辐射物质是单个的气态原子时，产生紫外、可见光区的线光谱。通过内层电子的跃迁可以产生X射线线光谱。2.带光谱

带光谱是由许多量子化的振动能级叠加在分子的基态电子能级上而形成的。3.连续光谱

固体加热至炽热会发射连续光谱，这类热辐射称为黑体辐射。通过热能激发凝聚体中无数原子和分之振荡产生黑体辐射。被加热的固体发射连续光谱，它们是红外、可见及长波侧紫外光区分析仪器的重要光源。第十七页，共二十七页，2022年，8月28日二、吸收光谱法

当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足△E=hv的关系时，将产生吸收光谱。

M+hvM*第十八页，共二十七页，2022年，8月28日吸收光谱法主要可分为：1.原子吸收光谱法

利用待测元素气态原子对共振线的吸收进行定量测定的方法。其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁，波长在紫外、可见和近红外区。2.紫外-可见分光光度法

利用溶液中的分子或基团在紫外和可见光区产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测定。第十九页，共二十七页，2022年，8月28日3.红外光谱法

利用分子在红外区的振动-转动吸收光谱来测定物质的成分和结构。4.核磁共振波谱法

在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。利用这种吸收光谱可进行有机化合物结构的鉴定，以及分子的动态效应、氢键的形成、互变异构反应等化学研究。第二十页，共二十七页，2022年，8月28日四、光谱法仪器与光学器件instrumentsforspectrometryandopticalparts第二十一页，共二十七页，2022年，8月28日一、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；第二十二页，共二十七页，2022年，8月28日二、光分析法仪器的基本单元

mainpartsofspectrometry1.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；第二十三页，共二十七页，2022年，8月28日2.单色器单色器：获得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射束的波长可在很宽范围内任意改变；主要部件：（1）进口狭缝；（2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线；（3）色散装置(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；第二十四页，共二十七页，2022年，8月28日（4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像。第二十五页，共二十七页，2022年，8月28日3.试样装置光源与试样相互作用的场所（1）吸收池紫外-可见分光光度法：石英比色皿荧光分析法：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。第二十六页，共二十七页，202