物理测试技术

物理测试技术第一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日光通常是指能引起人眼的感觉(视觉)的电磁辐射或电磁波，其波长范围从红光的780nm到紫光的390nm的可见光从780nm以上到1mm左右的电磁波，包括近红外、远红外与极红外，被称为红外光或红外线从380nm以下到1nm，包括近紫外、远紫外与极紫外(真空紫外)，被称为紫外光或紫外线这两种波段的光虽然不能引起视觉，但具备偏振、干涉、衍射，在界面上反射与折射等光的特征，可以用物理光学仪器测出发射这种光的物体。因此，光学中光的概念也包括了红外和紫外这些可见区以外的光辐射，即包括了波长位于向无线电波过渡区(约1mm)与向x射线过渡区(1nm)之间的电磁辐射第五章光学量及光谱测量一、光第二页，共六十九页，编辑于2023年，星期日粒子性（微粒说）：太阳和其他一切发光与发热的物体发出微小的粒子，这些粒子能引起人们的光和热的感觉——古希腊的哲学家。牛顿所支持的光的微粒说，认为光是从发光体发出的而且以一定速度向空间传播的一种微粒。利用微粒说不仅可以说明光的直线传播，而且可以说明光的反射和折射，只不过在说明折射时，认为光在水中的速度要大于空气中的速度波动性（波动说）：惠更斯所倡议的光的波动说，认为光是在介质中传播的一种波动。利用波动说也能说明反射和折射现象，而且还解释了方解石的双折射现象，但认为光在水中的速度要小于空气中的速度光的波动说取得了一些成就，但由于牛顿的崇高威望，在十八世纪光的波动说仍处在被压抑的地位，而微粒说占了统治地位光的本性第三页，共六十九页，编辑于2023年，星期日十七世纪初叶，荷兰人李普塞（Lippershey，1587－1619）、意大利人伽里略（Galileo，1564-1642

）和德国人开普勒（Kepler，1571-1630）等人，创制了用于天象观测的望远镜1621年，荷兰人斯涅耳（W·Snell，1591－1626）发现了光线在两种介质界面穿过时，光线传播方向发生变化的光的折射定律。法国人笛卡儿（R·Descartes，1596－1650）导出了用正弦函数表达的折射定律十九世纪初，人们发现光有干涉、衍射和偏振等现象，这些现象的波动的特征，和微粒说是不相容的。1801年英国物理学家杨（T·Young，1773－1829）用实验显示了光的干涉现象，在历史上第一次测定了光的波长，并用干涉原理成功地解释了白光下薄膜彩色的形成，为波动说奠定了实验基础法国人菲涅耳（Fresnel1788-1827

）与阿喇果合作（D·Arago，1786－1853），用光的波动说和干涉原理研究了光通过障碍物和小孔时所产生的衍射图样，并对光的直线传播作了满意的解释，波动说取得了胜利，确立了应有的地位第四页，共六十九页，编辑于2023年，星期日法国人马吕斯（E·Malus，1775－1812）、杨、菲涅耳和阿喇果，对光的偏振现象做了进一步研究，从而确认光具有横波性1850年，法国人傅科（J·B·Foucault，1819－1868）从实验证明光在水中的速度小于空气中的速度，波动说最后以无可辩驳的事实彻底否定了微粒说，在十九世纪中叶形成了波动光学的体系1865年苏格兰人麦克斯韦（Maxwell1831--1879

）指出光也是一种电磁波，这个预言被以后的一系列实验所证实，波动说摆脱了机械论而得到根本的改造，波动光学在电磁理论的基础上进一步发展完善从十九世纪末期到二十世纪初期，通过对黑体辐射、光电效应的研究，发现这些现象不能用波动理论来解释，必须假定光是具有一定能量和动量的光子所组成——人们对光的本性的认识又向前推进了一步，爱因斯坦(T.A.Einstein)1905年提出光不但具有波动性还具有微粒性——光的波粒二象性第五页，共六十九页，编辑于2023年，星期日二、光度学人类观察自然需要标定发光体的亮度光度学是根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应，它所测量的不是纯粹的物理量，而是一种生理—心理—物理量早期，人们根据眼睛感觉的“明、暗”来判断可见光的强、弱1.人类视觉视觉[vision]：物体的影像刺激眼睛所产生的感觉。光线→角膜→瞳孔→晶状体（折射光线）→玻璃体（固定眼球）→视网膜（形成物像）→视神经（传导视觉信息）→大脑视觉中枢（形成视觉）视网膜是一层包含上亿个神经细胞的神经组织，其中只有感光细胞对光敏感按形状分为两大类：视杆细胞和视锥细胞第六页，共六十九页，编辑于2023年，星期日角膜和晶状体组成眼的屈光系统眼球充满胶状的玻璃体，向眼的各种组织提供营养，也有助于保持眼球的形状虹膜形成的瞳孔起着光阑的作用0.3毫米的视网膜第七页，共六十九页，编辑于2023年，星期日视杆细胞：总数1亿以上，分布不均匀，在光线较暗时活动，有较高的光敏性，但不能作精细的空间分辨，且不参与色觉

视锥细胞：约600～800万个，分布不均匀，在较明亮的环境中以视锥细胞为主，提供色觉以及精细视觉黄斑：在视网膜上，处于人眼的光学中心区，处于人眼的光学中心，眼睛所注视的目标投影于黄斑区的中央凹处，几乎只有视锥细胞，有很高的空间分辨能力和良好的色觉盲点：视神经在视网膜前面，汇集到一个点上穿过视网膜连进大脑，没有感光细胞，目标投影到此区域不会引起视觉1666年马略特向巴黎科学院报告眼睛有“盲点”。两人相对站好，彼此相隔2米远，右手伸直，向上侧举。然后各自闭上左眼，各用右眼注视对方的右手掌第八页，共六十九页，编辑于2023年，星期日2.光度量光通量、发光强度、照度、亮度1729年P.布为比较天体亮度发明了目视光度计

人眼所能适应的光的强度变化超过了一百万比一的范围，是由在亮光条件下起作用的视锥细胞和在暗光条件下起作用的视杆细胞的相互间转移完成的。如果光的强度比较强，就能识别颜色；如果光很弱就不能识别颜色。目视法主要是利用人的眼睛对光敏感强，能精确判断相邻二个表面的亮度是否相同。目视光度计就是基于这一特点制成光度量是具有“标准人眼”视觉响应特性的人眼对所接收到的光的度量人眼光谱视觉函数（视见率）V()

人眼对不同波长的光产生的光感觉的效率不同，标准人眼亮视觉在波长555nm处光视效能最高；暗视觉在507nm处光视效能最高第九页，共六十九页，编辑于2023年，星期日人眼视觉函数曲线。V()：亮视觉（亮度水平在几坎德拉/m2以上）；

V()：暗视觉（亮度水平在百分之几坎德拉/m2以下）1.0400505555750l

/nmV(l)人眼的视觉函数曲线V()V()相对光视觉效率第十页，共六十九页，编辑于2023年，星期日辐射颜色波长/nmV(l)辐射颜色波长/nmV(l)辐射颜色波长/nmV(l)紫4000.0004绿5300.8620橙6500.1070紫4100.0012绿5400.9540红6600.0610紫4200.0040黄5500.9950红6700.0320紫4300.0116黄5551.0000红6800.0170蓝4400.0230黄5600.9950红6900.0082蓝4500.0380黄5700.9520红7000.0041青4600.0600黄5800.8700红7100.0021青4700.0910黄5900.7570红7200.00105青4800.1390橙6000.6310红7300.00052青4900.2080橙6100.5030红7400.00025绿5000.3230橙6200.3810红7500.00012绿5100.5030橙6300.2650红7600.00006绿5200.7100橙6400.1750标准亮视觉函数值第十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日发光强度光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的发光强度，单位坎德拉(cd)，1cd=1lm/sr（球面度）1860年英国首都的煤气法案正式规定了发光强度单位烛光的定义及标准光源光通量是以人眼对光的感觉量为基准的单位，流明(lm)是国际单位体系(SI)和美国单位体系(AS)的光通量单位光源在单位时间、向周围空间辐射并引起视觉的能量，称为光通量人的眼睛所能感觉的光辐射功率,它等于单位时间的光辐射能量和相对视见率的乘积每单位时间到达、离开或通过曲面的光能数量——光的辐射通量e光通量：v()=KmV()e()光通量第十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期日1879年维奥列建议用处于凝固过程的1cm2纯铂表面的发光强度作为标准。这是白炽光度标准的先声1881年国际电工技术委员将烛光定义为1磅鲸脑油制成6支蜡烛，蜡烛以每小时120格令（1格令约等于0.0648克）的速度燃烧时，在火焰水平方向的发光强度为1烛光——国际标准1889年国际电工委员会采用维奥列标准，用它的发光强度的1/20作为发光强度的单位，称做“小数烛光”1909年美、法、英等国决定用一组碳丝白炽灯来保持发光强度单位,取名为“国际烛光”,符号为“ic”1948年，第9届国际计量大会通过用拉丁文——candela（坎德拉）取代新烛光，坎德拉意为“用兽油制作的蜡烛”，它的大小为在铂凝固温度的全辐射体的亮度是60坎德拉每平方厘米1967年第13届国际计量大会决定将坎德拉定义改述为：坎德拉是在101325帕的压力下，处于铂凝固温度（约2042K

）的黑体的1/60平方厘米表面在垂直方向上的发光强度第十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期日1979年第十六届国际大会通过的坎德拉的定义为：坎德拉是发出频率为5.40×1014赫兹的单色辐射源在给定方向上的发光强度，该方向上的辐射强度为(1／683)瓦／球面度照度普通光源的发光强度太阳：2.8×1027坎德拉高亮手电：10000坎德拉5mm超高亮LED：15坎德拉

单位受照面积上接收到的光通量，单位为流明／米2，称勒克斯（lux或lx）晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx阴天室外50—500lx日光灯5000lx40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx第十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期日最大光功当量KM：1W波长为555nm的单色辐射能通量所能引起的光通量。KM=683lm/W最小光功当量Km：能够产生1lm光通量所需的555nm波长的单色辐射通量。Km=0.00146W/lm发光效率：对于一般电光源，每瓦电功率所能产生的光通量数几种常用光源的发光效率光源种类发光效率/(lm·W-1）光源种类发光效率/(lm·W-1）钨丝灯（真空）8～9.2日光灯27～41钨丝灯（充气）9.2～21高压水银灯34～45石英卤素灯30超高压水银灯40～47.5气体放电管16～30钠光灯60第十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期日表示发光面明亮程度，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，单位是坎德拉/m2

亮度3.测量目视法

色温（ColorTemperature）按绝对黑体定义

。光源发光时会产生一组光谱，用一个纯黑体产生出同样的光谱时所需要达到的温度就是该光源的色温。标准烛光为1930K，钨丝灯为2760-2900K，荧光灯为7000K，中午阳光为5400K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000Kds：发光面元IV：发光强度：面元法线与指定方向间的夹角第十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期日S1S2DM1M2PE目视光度计如图：S1：标准光源S2：待测光源D：漫射屏P：光度头M1、M2：全反射镜E：目镜要求光源S1、S2色温接近，相差<100K由两光源发出的光，经光路在目镜中呈现两个很靠近的像调整两光源与漫射屏D的距离,使漫射屏两侧的照度一样，利用平方反比定律进行标定，可同时定色温、测光强测量时，使两个光源像部分重叠，当界线消失时两个光源照度相同第十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期日客观法利用光电池测量光电池V()滤光片电流计LS标准光源LX待测光源rSrXLS照射光电池：ES=IS/rS2，电流表的读数为A,LX照射光电池：EX=IX/rX2，电流表的读数为A调整rX，使A=A，则：EX=

ES，即有：IX=IS(rX/rS)2第十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期日常用辐射度量和光度量辐射度量光度量名称符号定义单位名称符号定义单位辐射功率辐射通量0P以辐射形式发射、传播或接收的功率W光通量V人的眼睛所能感觉的光辐射功率流明点源在给定方向辐射强度I0d0/d，d包含的d0立体角元W/sr点源在给定方向的发光强度IVdV/d，d包含的d0立体角元坎德拉源表面一点在给定方向的辐射亮度L0瓦/(米2球面度)源表面一点在给定方向的光亮度LV坎德拉/米2辐射出射度M0d0/dsds出射面元W/m2光出射度MVdV/dsds出射面元流明/米2辐射照度E0d0/dsds照射面元W/m2光照度EVdV/dsds照射面元流明/米2勒克斯第十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期日4.弱光测量在弱光信号检测中，当光强微弱到一定程度时，光的量子特征开始显现，如：He-Ne激光（632.8nm），其每个光子的能量为3.19×10-19焦耳，光功率小于10-11瓦时，相当于光子的发射率为108光子数/秒，即光子的发射周期约为10-8秒雪崩光电二极管（APD）载流子扩散第二十页，共六十九页，编辑于2023年，星期日在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多数载流子的浓度下降，则在P区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域——空间电荷区平衡状态下的PN结空间电荷区形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场阻碍多数载流子扩散，加速少数载流子漂移在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡，没有电流，内部电场E不变，这时空间电荷区内没有载流子——耗尽层PN结两端加正向电压U：P区“+”，N区“-”耗尽层变窄，PN结导通PN结两端加反向电压U：P区“-”，N区“+”耗尽层变宽，PN结截止第二十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日增加PN结两端反向电压U至某数值时，反向电流剧增——击穿PN结的击穿有齐纳击穿和雪崩击穿齐纳击穿：当PN结两边的掺杂浓度很高时，耗尽层很薄，载流子与中性原子碰撞的机会极小，不容易发生碰撞电离；当加上不大的反向电压时，就能建立很强的电场，足以把耗尽层内中性原子的价电子直接从共价键中拉出来，产生电子—空穴对，产出大量的载流子，使PN结的反向电流剧增，呈现反向击穿雪崩击穿：当PN结两边的掺杂浓度较低时，耗尽层较宽，反向电压增大时，层中载流子的漂移速度加快，致使动能增大，撞击其它分子、原子，又产生新的电子-空穴对，此连锁反应使耗尽层中载流子的数量剧增，反向电流急剧增大，且增长速度极快，象雪崩一样碰撞电离也可使光生载流子倍增——雪崩光电二极管性能良好的雪崩光电二极管的光电流平均增益可达到几百倍第二十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期日光电倍增管（

PhotoMultiplierTube

PMT）灵敏度极高，响应速度很快的光探测器由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极（打拿极）及电子收集极（阳极）等组成当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子经聚焦极电场进入倍增系统，光电子被电场加速后撞击第一倍增极上将产生二次电子发射，这些二次发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极，产生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集第二十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期日光电倍增管的光阴极和阳极之间有多个倍增极，放大倍数可达到108～1010

响应时间很短，小于108秒，可实现“单光子计数”当一个光子入射到光阴极K上，使光阴极上以几率η逸出电子称为量子效率。这个光电子继续被更高的电压加速而飞向第二倍增极。若每一前级光电子打出mi个次级电子，有n个倍增极，则倍增效益：A＝m1.m2……mn-1.mnPMT输出脉冲分布噪声光子脉冲幅度脉冲计数第二十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期日CCD，英文全称：Charge-coupledDevice，电荷耦合元件图像传感器1969年美国贝尔实验室（BellLabs）的维拉·博伊尔(WillardS.Boyle)和乔治·史密斯（GeorgeE.Smith）发明。可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。2009年10月6日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将该年度诺贝尔物理学奖授予一名中国香港科学家高锟(CharlesK.Kao)和两名科学家维拉·博伊尔(WillardS.Boyle)和乔治·史密斯（GeorgeE.Smith）。CharlesK.Kao因在光通信领域中光的传输的开创性成就而获奖，博伊尔和史密斯因发明了成像半导体电路——电荷耦合元件图像传感器CCD获此殊荣。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成的，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，可实现二维记录第二十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期日三、光谱测量牛顿通过玻璃棱镜把太阳光展成从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成（1666年）渥拉斯顿（1802年）、夫琅和费（1814年）彼此独立地观察到了光谱线，每条谱线只代表一种“颜色”的光；发现太阳光谱暗线1814～1815年之间，夫琅和费公布了太阳光谱中的近600条暗线（现代发现有一万多条暗线），并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线他还观察到其它恒星光谱中的暗线与太阳光谱中的暗线不完全相同；他是第一个使用光栅作分光元件的人；他的发现被科学界忽视了近半个世纪；他的墓碑上刻着“他接近了恒星”1.光谱：某种物质发出或吸收后的光按波长排列形成光谱

第二十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期日1859年10月，化学家本生、物理学家基尔霍夫用实验证明了太阳暗线的D双线是在钠的光谱位置上；发现一团较冷的物质蒸气所吸收的波长，恰恰等于这种物质炽热发光时所发射的波长——吸收光谱法——天文学家开始以光谱分析作为一种天文研究手段第二十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期日1884年6月25日，瑞士数学家巴耳末在巴斯勒自然科学协会的演讲中公布了氢原子光谱的巴耳末公式（经验公式）：B=3.6456×10-7m=364.56nm，巴耳末常數1890年J.R.里德伯列出氢原子光谱波数公式——里德伯公式：发射光谱：发光物体直接发光产生的光谱

根据量子理论，原子中电子从高激发态E2跃迁到能量较低的激发态或基态E1时发出一定频率的光，发光频率原子光谱是线状谱——明线光谱第二十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期日如果E1和E2中任何一个可连续变化，的数值也将连续变化，产生连续光谱气体、液体或固体，在压强很大、密度很高时，由于原子间的作用很强，导致能级分裂，派生出许多新能级，这些能级接近，且原子数目很大，能级几近连续，使谱线展宽，可能变成连谱光谱；或因谱线间隔很小，低分辨率的光谱仪无法分辨，形成连续光谱或带状光谱吸收光谱：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱原子吸收光能，从低能态向高能态跃迁，形成暗线光谱分子中原子之间存在振动、转动，有复杂的转动-振动能级，可以吸收光能，发生能级跃迁，形成连续的吸收光谱，或一个、多个吸收带多数分子能级跃迁对应光子波长∆E约为1~20eV，波长1.25~0.06m紫外、可见区(电子)第二十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期日∆E约为0.5~1eV，波长25~1.25m(中)红外区(振动)∆E约为10-4~0.05eV，波长1.25cm~25m（远）红外区(转动)分子的光谱是由许多线光谱聚集在一起的带光谱组成的谱带原子吸收光谱人类最早利用原子吸收光谱分析法的是化学家本生和物理学家基尔霍夫从1955年开始，原子吸收光谱成为一种实用的分析方法，这一年澳大利亚的瓦尔西(A.Walsh)发表了他的著名论文'原子吸收光谱在化学分析中的应用'奠定了原子吸收光谱法的基础。50年代末和60年代初，Hilger,VarianTechtron及Perkin-Elmer公司先后推出了原子吸收光谱商品仪器，发展了瓦尔西的设计思想。到了60年代中期，原子吸收光谱开始进入迅速发展的时期1959年,苏联里沃夫发表了电热原子化技术的第一篇论文。电热原子吸收光谱法的绝对灵敏度可达到10-12-10-14g第三十页，共六十九页，编辑于2023年，星期日使用连续光源和中阶梯光栅，结合使用光导摄象管、二极管阵列多元素分析检测器，为解决多元素同时测定开辟了新的前景分子吸收光谱分子内部运动状态三种形式：①电子绕原子核作相对运动；②分子中原子或原子团在其平衡位置上作相对振动；③整个分子绕其重心作旋转运动分子光谱可以分为电子光谱、转动光谱、振动光谱价电子能级间能量差较大，对应频率：31014~1016，跃迁时，转动、振动能级也发生变化，形成带状吸收谱分子转动能级差很小，对应频率在：31010~1012，转动光谱振动能级差较大，对应频率在：31012~1014，相应吸收谱处在红外波段，振动光谱第三十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日2.红外光谱也是材料的吸收谱，与分子的转-振能级间跃迁有关；对晶体材料则与晶格振动相关(1)振动频率双原子化学键按谐振动处理，设力常数为k，原子质量ma、mb，振动频率：存在的振动能级：其中V是振动量子数，取值：0，1，2，……相邻的振动能级之间能量差为：h发生能级跃迁时，分子发射或吸收的光子频率应等于相邻振动能级之间能量差h，与分子结构密切相关mamb/(ma+mb)=Mu：折合质量，振子频率：第三十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期日力常数越大，频率越高；振子质量越大，振子频率越低同样原子间的力常数在不同分子中可能不同键分子k(N/cm)键分子k(N/cm)H-FHF9.7H-CCH2-CH25.1H-ClHCl4.8H-CCHCH5.9H-BrHBr4.1C-ClCH3Cl3.4H-IHI3.2C-C4.5~5.6H-OH2O7.8C=C9.5~9.9H-O游离7.12CC15~17H-SH2S4.3C-O5.0~5.8H-NNH36.5C=O12~13H-CCH3X4.7~5.0CN16~18第三十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期日分子振动类型：伸缩振动、弯曲振动红外光谱显示多个基频振动吸收峰，峰数与分子自由度数相关分子振动自由度数=3N（平动自由度+转动自由度）简并、强峰掩盖弱峰、分子振动未发生瞬间偶极矩变化，不产生红外吸收，减少吸收峰数每个分子振动自由度对应一个吸收峰带二氧化碳属线型分子CO2（O=C=O），振动自由度=95=4，两种弯曲振动的频率相同，均为667cm1；对称伸缩振动不发生瞬间偶极矩变化，不产生红外吸收；非对称伸缩振动对应的吸收峰2349cm1OOC对称伸缩振动OOC非对称伸缩振动OOC弯曲振动1OOC弯曲振动2第三十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期日水分子H2O属非线型分子，振动自由度=96=3，一个弯曲振动，一个对称伸缩振动、一个非对称伸缩振动，各对应一个吸收峰HHO弯曲振动HHO对称伸缩振动HHO非对称伸缩振动对于振动能量，非对称伸缩振动能量最高，其次是对称伸缩振动，弯曲振动能量最低(2)红外光谱特点红外特征谱带区：4000~1333cm-1的区域，伸缩振动产生，吸收峰很少，易于辨认，称作特征谱带区，用于鉴定官能团。重键及X-H（X=N、O、C）受分子内其它元素影响小，振动频率都在高频区第三十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期日基团频率：与一定结构联系的特征振动频率某些基团振动频率较为稳定，吸收峰位在恒定范围内，易于辨认，另有一些基团不存在基团频率N-H伸缩振动发生在35003300cm1范围，其中非对称振动在3500cm1附近，对称振动在3400cm1附近CC、CN伸缩振动都出现在24003300cm1范围CC、CN伸缩振动都出现在16861620cm1范围红外指纹区：1333~667cm-1的区域，除伸缩振动外，弯曲振动产生谱带，该区域谱带主要是C-X（X：C、N、O）型单键，键强、质量接近，谱带密集，犹如指纹，称作指纹区。另有说法：此类振动与分子结构相关度高，结构稍有不同，光谱即有细微变化——指纹区相关峰：一个分子常有多个振动频率，每种红外活性的振动都有相应的吸收峰，这些吸收峰是此分子的相关峰。若要判定材料中有某种分子存在，需要有相关峰佐证第三十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期日红外分光光度计：400~4000cm-1的区域由光源系统、单色器系统、光度计系统和接收系统组成。系统光源为卤钨灯。单色器系统采用高性能平面光栅。光路如上图。W:钨灯,SI:入射狭缝,S2:出射狭缝,G:衍射光栅,M:扇形镜,P:硫化铅(3)红外光谱测量第三十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期日傅立叶红外光谱仪Fourier变换红外光谱仪没有色散元件，主要由光源、Michelson干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。核心部分为Michelson干涉仪，它将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换的数学处理，最后将干涉图还原成光谱图第三十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期日傅立叶变换1807年法国科学家傅立叶提出“任何周期信号都可以用正弦函数级数表示”1822年发表在《热的分析理论》一书中。两个主要论点：周期信号都可以表示为谐波关系的正弦信号的加权和非周期信号都可以用正弦信号的加权积分表示Fourier变换光谱仪利用Michelson干涉仪，动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图，然后进行Fourier变换：I(x)：采集到的干涉信号强度，：波数，x：两束光的光程差第三十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期日傅里叶变换光谱仪的优点①多通道测量使信噪比提高；②没有入射和出射狭缝限制，因而光通量高，提高了仪器的灵敏度；③以氦、氖激光波长为标准，波数值的精确度可达0.01cm-1；④增加动镜移动距离就可使分辨本领提高；⑤工作波段可从可见区延伸到毫米区，使远红外光谱的测定得以实现；⑥实际测量时域信号，扫描速度非常快应用：是现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具；在高聚物的构型、构象、力学性质的研究以及物理、天文、气象、遥感、材料、生物、医学、刑侦、考古等领域也有广泛的应用第四十页，共六十九页，编辑于2023年，星期日利用标准谱图进行分析（i）萨特勒（Sadtler）标准红外光谱图（ii）Aldrich红外谱图库（iii）SigmaFourier红外光谱图库先特征、后指纹；先强峰，后次强峰；先粗查，后细找；先否定，后肯定;寻找有关一组相关峰→佐证将特征谱带区划分为3段：40002500cm1：含H官能团伸缩振动25002000cm1：含三键化合物（如CC、CN等），及BH、PH、SH、SiH等基团。中等及弱峰20001333cm1：含C=O双键伸缩振动在高频区，强峰；C=C、C=N、N=O等偏低频区将指纹区分两段：1333900cm1：含C-O、C-F、C-N、C-P、C-Si、P-O、Si-O等单键伸缩振动，以及C=S、S=O、P=O等重键伸缩振动(4)识谱第四十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日900667cm1：可以指示(CH2)4基的存在、双键的取代程度、构型、苯环上取代基的位置，以及是否含卤族元素等第四十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期日3.散射光谱单色光辐射入气体、液体、固体时，会有一部分受到散射，散射光中除了会观察到与入射光波数相同的外，还可以观察到=±成分的光1871年：LordRayleigh用经典辐射理论论述了当散射中心尺寸比入射光波长小得多时，散射光频率不变、偏振特性和散射光强依赖于观测方向的现象，命名为瑞利散射1922年：L.Brillouin从理论上预言多普勒效应可以引起频率改变的散射,命名为布里渊散射1923年：A.Smekal在Naturuiss上发表论文，从理论上预言Raman光谱的存在SirC.V.Raman1928年：印度C.V.RamanandK.S.Krishman在Nature上发表论文，宣布在液体的实验中发现Raman光谱的存在，此效应以Raman命名，1930年获诺贝尔奖第四十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期日1928年：俄国G.LandsbergandL.Mandelstam在石英中观察到频率改变的光散射现象（Naturuiss，16，557，772,1928）法国Cabannes(Compt.rend.,186,1201,1928)和Rocard(Compt.rend.,186,1107,1928)证实了C.V.Raman与K.S.Krishman的观察结果1930年：E.Gross(Z.Physik,63,685,1930)在实验中观察到布里渊散射Rayleigh弹性散射=0Brillouin非弹性(声子)0，0.011cm-1Raman非弹性(分子)0，10104cm-1拍频技术F-P干涉仪光栅单色仪Raman时期的Raman光谱测量：用汞灯，太阳光做实验，利用摄谱仪记录谱图，8小时取谱（易得的，高散射截面分子）激光出现引起革命：高亮度，单色，准直，相干第四十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期日第四十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期日测量散射光谱的系统①区分入射，散射②压制杂散Rayleigh光③Brillouim——F-P④Raman——双光栅，三光栅，notchfilter+单光栅Raman散射的能量转移模型E=E2E1=hcE2E1E2E1散射光与入射光频率相同——瑞利散射E=E2E1=hc散射光小于入射光频率——拉曼散射（斯托克斯）第四十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期日E2E1E=E2E1=hc散射光大于入射光频率——拉曼散射（反斯托克斯）斯托克斯反斯托克斯瑞利散射拉曼频移，单位：cm-1斯托克斯线的强度要高于反斯托克斯线：根据玻尔兹曼分布率布居数正比于eE/kT，即处于高能量状态的分子数小于处于低能量状态的分子数第四十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期日拉曼散射频移与分子振动能级有关，与激发光频率无关拉曼光谱仪：激光拉曼光谱仪（激发光：紫外、可见激光）傅立叶拉曼光谱仪（红外激光）HORIBAJOBINYVONU1000型高性能双级激光拉曼光谱仪第四十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期日光电采集系统激光器样品光聚集系统放大器控制记录系统激光拉曼光谱仪示意图双单色仪系统,也称双级拉曼光谱仪.激发光打在样品上，产生的散射光包括瑞利散射和拉曼散射。经光聚集系统（透镜、陷波滤波器、狭缝），把瑞利散射光滤掉，其它频率的光进入光谱仪。经色散元件和反射镜将散射光展开进入光电采集系统，在经放大记录第四十九页，共六十九页，编辑