第二电磁辐射与谱学基础演示文稿

第二电磁辐射与谱学基础演示文稿现在是1页\一共有33页\编辑于星期五优选第二电磁辐射与谱学基础现在是2页\一共有33页\编辑于星期五辐射能普朗克常数6.626×10-34Js波数(cm-1)：1厘米所拥有波的数量光子的能量单位：电子伏特(eV)或焦耳(J)表示。1eV=1.60210-19J,1eV表示一个电子在经过电位差为1V的电场时所获得的能量。结论:一定波长的光具有一定的能量，波长越长(频率越低)，光量子的能量越低。每个光子具有的能量(EL)与频率及波长之间的关系：现在是3页\一共有33页\编辑于星期五

按照经典物理学的观点，电磁辐射是在空间传播着的交变电磁场，称为电磁波。三、电磁辐射的定义和分类

以电磁辐射为分析信号的分析方法在广义上都称为光学分析法。红外-可见光、紫外、X射线等都是电磁辐射。

波谱学(spectroscopy)涉及电磁辐射与物质量子化的能态间的相互作用。理论基础是量子化的能量从辐射场向物质转移(或由物质向辐射场转移)。

1、物质分子是由原子核和电子组成的。辐射电场与物质分子间相互作用引起分子吸收辐射能，导致分子振动能级或电子能级的改变。现在是4页\一共有33页\编辑于星期五辐射磁场与物质分子间相互作用引起分子吸收辐射能，导致分子电子自旋能级、核自旋能级的改变。分子体系吸收的电磁辐射的能量等于体系的两个允许状态能级的能量差。ΔE=E2−E1=h

辐射能的波长或频率可表示为:=ΔE/h=hc/ΔE

现在是5页\一共有33页\编辑于星期五不同波长的电磁辐射作用于被研究物质的分子，可引起分子内不同能级的改变，即发生不同的能级跃迁。研究分子内不同的能级跃迁，可采用不同的波谱或光谱技术。2、波谱技术现在是6页\一共有33页\编辑于星期五四、电磁波谱波谱区波长范围光子能量/eV（电子伏）能级跃迁类型波谱技术射线区X射线区远紫外区近紫外区可见光区近红外区中红外区远红外区微波区射频区10-4~10-2nm

0.005~10nm100~200nm200~400nm400~800nm0.78~2.5m2.5~50m50~1000m0.1~50cm50~500cm2.5105

2.5105~1.21021.2102~6.26.2~3.13.1~1.71.7~0.50.5~0.0252.510-2~1.210-41.210-4~1.210-71.210-6~1.210-9原子核能级跃迁内层电子能级跃迁核外层电子能级跃迁(价电子或非键电子）分子转动-转动能级跃迁电子自旋能级跃迁核自旋能级跃迁穆斯堡尔谱电子能谱紫外光谱可见光谱红外光谱纯转动光谱电子顺磁共振谱核磁共振谱电磁辐射对应的能级跃迁及波谱技术电磁辐射按照波长（或频率、波数、能量）大小的顺序排列就得到电磁波谱。现在是7页\一共有33页\编辑于星期五（1）高能辐射区：包括射线区和X射线区。（2）中能辐射区：紫外区、可见光区和红外区。由于对这部分辐射的研究和应用要使用一些共同的光学试验技术，例如，用透镜聚焦，用棱镜或光栅分光等，故又称此光谱区为光学光谱区。（3）低能辐射区：微波区和射频区。又称波谱区。电磁波谱的分区：现在是8页\一共有33页\编辑于星期五第二节X射线光谱

用高能粒子(如电子、质子)或X射线光子撞击原子，原子内层（如K层）的一个电子被撞出，形成一个空穴使原子处于不稳定的受激态。空穴将立即被较高能量电子层（如L层）上的一个电子所填充，在此电子层上又形成新的空穴，该新的空穴又能由能量更高的电子层（如M层）上的电子所填充，通过一系列的跃迁，直至受激原子回到基态。一、基本原理现在是9页\一共有33页\编辑于星期五电子跃迁:

L→K，M→L，N→M内壳层之间的能级差大于外壳层之间的能级差。跃迁(除无辐射跃迁外)都以X射线的形式放出能量，发射出特征的X射线光谱。主要以热的形式消耗能量二、X射线光谱的分类现在是10页\一共有33页\编辑于星期五1、X射线发射光谱(X-rayemissionspectrometry)受激原子发射出的X射线的波长为该原子特征谱线。★特征谱线的波长取决于电子跃迁的始态和终态★不同的元素的特征谱线的波长不同★特征谱线强度正比于受激原子的数目（样品含量）可用于定性（波长）、定量（强度）分析。2、X射线荧光光谱(X-rayfluorescencespectrometry)现在是11页\一共有33页\编辑于星期五

来自X射线激发光源的一个光子被样品吸收(撞出一个电子)，产生一个在其内电子层有一空穴的正离子，当外电子层中的一个电子跃人该空穴时，则发射一个X射线光子。

只有当初级辐射是由于吸收X射线光子引起的辐射才是荧光X射线。荧光辐射的波长比吸收辐射的波长长（即能量更低）。荧光辐射的强度与样品中荧光物的浓度成正比。3、扫描电镜(scanningelectronmicroscopy)分为扫描电子显微镜(SEM)和扫描透射电子显微镜(scanningtransmissionelectronmicroscopy，STEM)现在是12页\一共有33页\编辑于星期五

SEM和STEM均为固定能量的电子束通过样品表面扫描，得到样品表面的直观图像。对各种材料的物质表面形貌进行观察，特别适用于对不便进行破坏性处理的块状样品，配合能谱仪和X射线仪可以对各种元素进行定性、定量分析。扫描电子显微镜扫描透射电子显微镜现在是13页\一共有33页\编辑于星期五

用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了样品的表面结构。SEM的工作原理现在是14页\一共有33页\编辑于星期五纳米ZnO的SEM图人类血细胞的SEM照片

现在是15页\一共有33页\编辑于星期五STEM是在真空条件下，电子束经高压加速后，穿透样品时形成散射电子和透射电子，它们在电磁透镜的作用下在荧光屏上成像。碳纳米管的STEM成像

现在是16页\一共有33页\编辑于星期五4、X射线单晶衍射仪(X-raysinglecrystaldiffractometer)晶体具有周期性的点阵结构，其原子间的距离与X射线的波长在同一个数量级范围。晶体物质能够衍射X射线。

X射线单晶结构分析是利用X射线作用于单晶物质产生的衍射现象，通过实验测得衍射方向和衍射强度，依据布拉格(Bragg)方程或劳埃(Laue)方程，以及强度分布的结构因素等，解出晶胞参数和晶胞内原子的种类和位置，从而确定晶体的结构。现在是17页\一共有33页\编辑于星期五X射线四圆单晶衍射仪5、X射线多晶衍射（X射线粉末衍射,x-raypowderdiffraction）现在是18页\一共有33页\编辑于星期五

X射线多晶衍射常采用晶体粉末样品，以保证有足够多的晶体产生衍射。适用于难以得到足够大的单晶样品、混合样品或某些高分子样品的测试。获得粉末衍射图的方法有照相法和衍射仪法。

X射线粉末衍射仪现在是19页\一共有33页\编辑于星期五粉末衍射法可用于物相分析、衍射图的指标化及晶粒大小和晶胞参数的测定。粉末衍射图现在是20页\一共有33页\编辑于星期五第三节电子能谱(electronspectroscopy)一定波长的光子或电子束照射物质的表面，使表面原子中不同能级的电子激发成自由电子（光电子或光子），被激发的自由电子既反映了样品表面的信息，又具有其特征的能量分布曲线，收集并研究自由电子的能量及其分布，便可得到电子能谱。1．定义2．原理基本原理就是光电效应。光子结合能光子动能h

=Ek

+Eb现在是21页\一共有33页\编辑于星期五3．用途测定样品表面的组成元素和元素的化学状态。4．分类根据激发光源不同，电子能谱分为X射线光电子能谱、紫外光电子能谱和俄歇电子能谱。(1)X射线光电子能谱(X-rayphotoelectronspectroscopy，XPS)XPS采用能量为的射线源，能激发内层电子。各种元素内层电子的结合能具有特征值，XPS鉴别化学元素。现在是22页\一共有33页\编辑于星期五(2)紫外光电子能谱(ultravioletphotoelectronspectroscopy，UPS)

UPS采用HeI或HeII作激发源，其能量较低，只能使原子的价电子电离，UPS研究价电子和能带结构的特征。(3)俄歇电子能谱(augerelectronspectroscopy，AES)AES大都用电子作激发源，电子激发得到的俄歇电子谱强度较大。AES具有五个有用的特征量:特征能量、强度、峰位移、谱线宽和线型。由AES可获如下表面特征:化学组成覆盖度,键中的电荷转移,电子态密度和表面键中的电子能级。现在是23页\一共有33页\编辑于星期五第四节分子能级与分子光谱1.分子能级分子总能量是所有运动的能量之和：E总＝Et+Ee+Ev+Er分子平动能转动能电子能分子运动包括分子的平动、转动、振动及电子运动。分子平动能为具有连续的数值，是非量子化。电子能、振动能和转动能是量子化的，三者统称分子内部运动能。振动能物质分子内部存在三种运动形式,必然存在三种能级：现在是24页\一共有33页\编辑于星期五

(1)电子能级(S0,S1,S2,….);

单重态：激发态与基态中的电子自旋方向相反.

三重态：激发态与基态中的电子自旋方向相同.(2)振动能级(V0,V1,V2,…);(3)转动能级(J0,J1，J2,…).电子能级差最大(1～20eV)，振动能级差次之(10-2～1eV)，转动能级差最小(10-6～10-3eV)。ΔEe

ΔEvΔEr2．分子光谱(molecularspectrum

)现在是25页\一共有33页\编辑于星期五通过分子内部运动，化合物吸收或发射光量子时产生的光谱称为分子光谱。分子光谱是由于在不同能级间的跃迁所产生的。分子光谱是带状光谱。根据能量交换方向分为吸收光谱和发射光谱。吸收光谱是由于吸收光量子所产生的光谱。例如紫外-可见光谱、红外光谱等。现在是26页\一共有33页\编辑于星期五发射光谱是由于发射或释放出光子所产生的光谱,例如X射线、荧光和磷光光谱分子吸收光谱按吸收光的能量不同分为电子光谱、振动光谱和转动光谱。（1）电子光谱（紫外-可见光谱(electronicspectrumorultravioletvisiblespectroscopy,UV-Vis))引起分子中电子能级跃迁的光谱称为电子光谱，波长位于200-800nm。发生电子能级跃迁的同时，伴有振动能级和转动能级跃迁，故电子光谱以谱带出现。现在是27页\一共有33页\编辑于星期五对应于分子内电子能级改变的发射光谱有:分子荧光光谱（molecularfluorescencespectroscopy,MFS）和磷光光谱（molecularphosphorescencespectroscopy,MPS），其发射波长比相应的紫外-可见光谱的吸收光的波长要长。（2）振动光谱（红外光谱,vibrationalspectrumorinfraredspectroscopy,IR）引起分子振动能级跃迁的光谱称为振动光谱，是指分子中同一电子能级内不同振动能级之间的跃迁，波长范围为1-25m，位于远红外至中红外光区。分子发生振动能级跃迁的同时，伴有转动能级的跃迁，故振动光谱也以谱带出现。现在是28页\一共有33页\编辑于星期五只有在气态或在极稀的非极性溶剂中才有可能观测到振动谱线，这些谱线是由于处于同一振动能级内不同转动能级向较高振动能级的不同转动能级之间的跃迁所致。对应于分子内振动能级改变的光谱还有Raman光谱(ramanspectroscopy,RS),它是观测Raman散射光的光谱。

（3）转动光谱引起分子转动能级跃迁的光谱称为转动光谱，是指分子中同一电子能级的同一振动能级内转动能级之间的跃迁。波长范围为25-500m，位于远红外至微波区，纯转动光谱是线状光谱。现在是29页\一共有33页\编辑于星期五一、定义一定波长的电磁波作用于处于特定外磁场(B0)中的物质的分子，导致分子中原子核的自旋能级或电子自旋能级的改变所产生的吸收光谱。能级改变与外磁场的强度、原子核和电子所处的环境(即分子的结构)密切相关，磁共振谱反映了分子结构的信息。第五节磁共振谱

(magneticresonancespectroscopy

)二、磁共振的分类磁共振包括电子顺磁共振和核磁共振。电子顺磁共振的频率位于微波区;核磁共振的频率位于射频区。现在是30页\一共有33页\编辑于星期五

1．电子顺磁共振（1）定义电子顺磁共振(electronparamagneticresonance，EPR)或电子自旋共振(e