第二章光学分析法课件

第二章光

学

分

析

法光学分析法概述第一节

1.电磁辐射：光是一种电磁辐射（又称电磁波），它具有波动性与粒子性。光的波动性主要体现为光的反射、折射、干涉、衍射以及偏振等现象，常用波长λ、波数σ和频率v来表征。波长、波数和频率的关系为：

式中，ｃ为光在真空中的传播速度，ｃ＝2.997925×108m/s。一、电磁辐射的性质

光的粒子性主要体现在热辐射、光的吸收和发射、光电效应以及光的化学作用等方面。

光的粒子性用每个光子具有的能量E作为表征。光子的能量与波长成反比，与频率成正比，波长愈长，光子能量愈小；波长愈短，光子能量愈大。它们的关系如下：

式中，h是普朗克(Planck)常数，h＝6.6262×10-34J·s；E为光子能量，单位常用电子伏特（eV）或焦耳（J）（1eV＝1.6022×10-19J）。

2.电磁波谱

电磁波谱分区表电磁辐射区段波长范围能级跃迁的类型γ射线10-3～0.1nm原子核能级X射线0.1～10nm内层电子能级远紫外辐射10～200nm内层电子能级

紫外辐射200～400nm价电子或成键电子能级

可见光区400～760nm价电子或成键电子能级

近红外辐射0.76～2.5μm涉及氢原子的振动能级

中红外辐射2.5～50μm原子或分子的振动能级

远红外辐射50～500μm分子的转动能级

微波区0.3mm～1m电子自旋及核自旋能级无线电波区1～1000m磁场诱导核自旋能级能级3、电磁辐射与物质的相互作用电磁辐射照射物质时，其传播方向、速度等物理性质发生改变。电磁辐射照射物质时，发生能量转移，使物质内部有相应的能级跃迁7吸收发射散射物质能量变化透射、反射折射散射衍射旋光

物质能量不变化荧光磷光→拉曼物质的结构不同，与电磁辐射发生相互作用所需要的能量也不同，只有当电磁辐射的能量与物质结构发生改变所需要的能量相等时，电磁辐射与物质之间才能发生相互作用而被吸收。也就是说，物质对光具有选择性吸收。光的颜色波长范围(nm)光的颜色

波长范围(nm)红色760～650青色500～480橙色650～610

蓝色480～450黄色610～560

紫色450～400绿色560～500近紫外400～200物质对光的选择性吸收

单一波长的光称为单色光；由不同波长的光混合而成的光称为复合光。如果让一束复合光通过棱镜或光栅，就能散射出多种颜色的光，这种现象称为光的色散。如果两种适当颜色的单色光按一定强度比例混合，可以得到白光，则这两种单色光互称补色光。溶液呈现不同的颜色，是由于溶液中的溶质（分子或离子）选择性地吸收了白光中某种颜色的光而引起的。当一束白光通过某溶液时，如果该溶液对任何颜色的光都不吸收，则溶液无色透明；如果该溶液对任何颜色的光的吸收程度相同，则溶液灰暗透明；如果溶液吸收了其中某一颜色的光，则溶液呈现透过光的颜色，即呈现溶液所吸收色光的补色光的颜色。例如高锰酸钾溶液能够吸收白光中的青绿色光而呈现紫红色。电磁辐射的发射

指物质吸收了外界的能量（包括电能、热能、电磁辐射能、电子或其它基本粒子轰击等），使处于激发态的粒子（离子、原子或分子）在返回到低能级或基态时，以电磁辐射的形式释放出多余的能量。拉曼散射：非弹性碰撞，方向及波长均改变样品池透过光λ不变瑞利散射λ不变拉曼散射λ变

入射电磁辐射能量与介质基态/激发态间的能量差不相等——物理性质发生改变折射、反射、透射干涉衍射光学分析法非光谱法光谱法根据待测物质（原子或分子）发射或吸收的电磁辐射，以及待测物质与电磁辐射的相互作用而建立起来的定性、定量和结构分析方法，统称为光学分析法。不以光的波长为特征讯号，仅通过测量电磁辐射的某些基本性质（反射、折射、干涉、衍射和偏振）的变化的分析方法。根据能级跃迁所产生的电磁辐射强度随波长变化所得到的图谱称为光谱。利用光谱进行定性、定量和结构分析的方法。

二、光学分析法的分类光谱法原子发射光谱法原子荧光光谱法荧光光谱法化学发光法原子吸收光谱法紫外-可见分光光谱法红外光谱法X射线吸收光谱法核磁共振波谱法拉曼散射光谱法

1.光谱法吸收光谱法散射光谱法发射光谱法

线光谱：对于特定由狭窄谱线组成的光谱。通常原子光谱是线状光谱。当原子能量从较高能级向较低能级跃迁时，就辐射出波长单一的光波，由于能级本身有一定宽度和多普勒效应等原因，原子所辐射的光谱线总会有一定宽度（谱线增宽）；即在较窄的波长范围内仍包含各种不同的波长成分。

线光谱、带光谱、连续光谱

带光谱：通常分子光谱是带状光谱。带状光谱是分子在其振动和转动能级间跃迁时辐射出来的，利用高分辨率光谱仪观察时，每条谱带实际上是由许多紧挨着的谱线组成。

连续光谱：固体在炽热状态下会产生黑体辐射，黑体辐射是通过热能激发凝聚体中无数原子和分子振荡产生的辐射跃迁，辐射波长范围随温度升高向短波方向扩展。由于无数原子和分子振荡产生辐射跃迁的能量非常接近，因而表现为连续光谱。线光谱、带光谱、连续光谱非光谱法折射法衍射法干涉法旋光法散射浊度法

2.非光谱法粉末X射线衍射仪

第三节

一般光谱分析仪器光谱仪：研究吸收、发射的电磁辐射强度和波长关系的仪器光谱分析仪器基本组成辐射源单色系统试样容器检测器信号处理器或读出装置原子发射光谱仪吸收光谱仪荧光光谱仪

一、辐射源要求：强度大(分析灵敏度高)、稳定(分析重现性好)

二、单色系统作用：将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。

组成：由入射狭缝、出射狭缝、准直镜、色散元件等组成

棱镜依据光的折射现象进行分光；玻璃或石英制成

光栅利用多狭缝干涉和单狭缝衍射联合作用分光光栅透射光栅反射光栅平面反射光栅凹面反射光栅通过干涉现象，得到明暗相间的干涉条纹

干涉仪石英或熔融石英：紫外光—可见光—3m；

玻璃：可见光区（350-2000nm）；透明塑料：可见光区（350-2000nm）；盐窗（NaCl,NaBr晶体）：红外光区。三、试样容器

除发射光谱外，其它所有光谱分析都需要样品池(吸收池)，常由光透明材料制成。

热检测器: